EP1126136A2 - Turbinenschaufel mit luftgekühltem Deckbandelement - Google Patents

Turbinenschaufel mit luftgekühltem Deckbandelement Download PDF

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EP1126136A2
EP1126136A2 EP00810966A EP00810966A EP1126136A2 EP 1126136 A2 EP1126136 A2 EP 1126136A2 EP 00810966 A EP00810966 A EP 00810966A EP 00810966 A EP00810966 A EP 00810966A EP 1126136 A2 EP1126136 A2 EP 1126136A2
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EP
European Patent Office
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turbine blade
cooling
blade according
bores
shroud element
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EP00810966A
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English (en)
French (fr)
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EP1126136A3 (de
EP1126136B1 (de
Inventor
Ibrahim Dr. El-Nashar
Hartmut Haehnle
Rudolf Kellerer
Beat Von Arx
Bernhard Prof.Dr. Weigand
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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Publication of EP1126136A3 publication Critical patent/EP1126136A3/de
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    • 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
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/10—Two-dimensional
    • F05D2250/14—Two-dimensional elliptical
    • F05D2250/141—Two-dimensional elliptical circular

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It affects an air-cooled turbine blade according to the preamble of claim 1.
  • Such a turbine blade is e.g. from US-A-5,482,435 or US-A-5,785,496.
  • the known cooling holes take up comparatively little space within the shroud element on. Because a certain minimum thickness is required to drill the holes in the shroud element of the shroud element is required, and this or an even larger one Thickness of the shroud element also in the area outside the holes is maintained, there is an unfavorably small ratio of the flow Shroud volume to shroud volume not flowed through. As a consequence, that the cooling of the shroud element is not optimal, and that the shroud element comparatively due to the large proportion of solid material is heavy and therefore high during operation due to the centrifugal forces is exposed to mechanical loads.
  • the object is achieved by the entirety of the features of claim 1.
  • the essence of the invention is that the cavities carrying the cooling fluid inside the Shroud element in coordination with the shroud element in shape and dimension To be designed so that the volume through which the cooling fluid flows occupies a high proportion of the total volume of the shroud element.
  • the weight of the shroud element be significantly reduced.
  • a first preferred embodiment of the turbine blade according to the invention is characterized in that the cavities include cooling holes, that the cooling holes are tunnel-shaped, the thickness of the Cover band element outside the cooling holes is reduced, and that the Cooling holes essentially parallel to the direction of movement of the blade tip run from the inside out and in front of the outer edge of the Open the cover band element upwards into the outside space.
  • the tunnel-shaped The formation of the cooling bores not only reduces the proportion of solid material in the Shroud element, but also mechanically stiffens the shroud element. The cooling air escaping upwards can also escape unhindered if the shroud elements of all blades of a turbine stage are lined up an annular shroud.
  • cooling holes open laterally into the recesses.
  • a part of Cooling holes can also be designed as a diffuser.
  • a second preferred embodiment of the invention is characterized in that that the cavities are designed as slits, which extend across the width of the shroud element extend that the slots substantially parallel to Direction of movement of the blade tip from the inside to the outside and each in front of the outer edge of the shroud element upwards into the outside space open into the cover band element from the top are embedded, and that the slots open laterally into the recesses.
  • the wide slots result in good cooling with a significant reduction in material.
  • Cooling is particularly effective if, according to a preferred further development this embodiment in the slots means for improving the heat transfer are provided between the cooling air and the shroud element.
  • the slots can be used as a means of improving heat transfer distributed arrangement of pins include, which flows around the cooling fluid turbulent and so the heat transfer between cooling fluid and shroud material continue to improve.
  • a third preferred embodiment of the turbine blade according to the invention is characterized in that the cavities are in the direction of movement of the blade tip extending cooling holes include that the cooling holes are crossed by a plurality of cross holes, and that the cross holes are blocked off from the outside by closed ends are.
  • This configuration of the intersecting cooling holes is of geometry comparable to the previously mentioned wide slots with distributed pin arrangement.
  • the solid material is used with greatly improved heat transfer of the shroud element significantly reduced and thus weight saved.
  • the intersecting cooling holes can be compared with conventional means insert easily into the shroud element. In terms of cooling technology in particular Favorable cooling holes can be achieved if the cooling holes and the cross holes are made using the so-called "STEM drilling" process are.
  • Fig. 1 is a first preferred embodiment in plan view from above the turbine blade according to the invention.
  • the turbine blade 10 comprises the actual blade profile (extending perpendicular to the plane of the drawing) 23 and a shroud element arranged transversely thereto at the tip of the blade 11, which together with the shroud elements of the other (not shown) Buckets a continuous, ring-shaped, mechanically stabilizing Cover band results.
  • the blade profile 23 is partially hollow inside and of one or several cooling air ducts 18 (indicated by dashed lines in FIG. 1), direct the cooling air from the blade root to the tip of the blade (see e.g. Fig. 2 of US-A-5,482,435).
  • the cover band element 11 has on its upper side (22 in Fig. 2) two ribs running parallel in the direction of movement of the blade tip 12 and 13, which together with the opposite housing wall 20 of the gas turbine form a cavity 21 connected to the surroundings by gaps (FIG. 2).
  • Cooling holes 16 'and 17, 17' Inside the shroud element 11 run between and essentially parallel to the ribs 12, 13 a plurality of cooling bores 16, 16 'and 17, 17' (in Fig. 1 and 2 shown in dashed lines) starting from the center outwards.
  • the Cooling holes can be of a uniform shape, but can also be different be designed. 1 and 2 are the Cooling holes 16, 17 as holes with a largely constant diameter designed, while the cooling bores 16 ', 17' as diffusers with themselves in the direction of flow expanding cross-section are formed.
  • the cooling bores 16, 16 'and 17, 17' are on the input side with the cooling air duct 18 in connection and are supplied by this with cooling air (or another Cooling fluid).
  • the cooling bores extend 16, 17 not all the way to the side end or edge of the shroud element 11, but each open from the side into an elongated, from the Indentation 14 or 15 recessed into the cover band element 11 from the top side. This ensures that the cooling air always passes through the cooling holes, even if two (adjacent) shroud elements in mechanical Are in contact.
  • each of the cooling bores 16, 16 'and 17, 17' taken for themselves can be connected to a separate depression. Still is it is also conceivable, the cooling holes 16, 16 'and 17, 17' slightly oblique and from one To allow parallelism to run differently when it comes to optimization cooling over the entire surface of the shroud element 11 is necessary is.
  • FIG. 3 and 4 An alternative form of weight reduction is in the exemplary embodiment in FIG. 3 and 4 reproduced.
  • 11 inside the shroud element instead a plurality of cooling holes on both sides of the blade profile Wide slot 25 or 26 is provided, each of which is from the central cooling air duct 18 extends to the lateral recesses 14 and 15 and opens there.
  • the Slots 25, 26 lead to a considerable because of their continuous width Weight reduction and ensure a uniform over the entire width Distributed cooling Throttling points 19 and 19 'can also be used here for limitation of the cooling air mass flow may be provided, the throttling points in each case on the input side (throttling points 19) and / or the output side (throttling points 19 ') of the slots 25, 26 are positioned.
  • Cooling through the slots 25, 26 can be further increased in their effect if as a means of improvement the heat transfer in the slots a distributed arrangement (one "array") is provided by pins 27.
  • Pins 7 increase the turbulence of the Cooling air flow and represent additional areas for heat transfer. In addition, they have a mechanical stabilizing effect when they are in the slots range from wall to wall.
  • the number and arrangement of the pins in the "array" can be changed in the Be changed as part of an optimization of the cooling effect.
  • Cooling holes 16, 17 (drilling axis 29) and these intersecting cross holes 28 (drilling axis 30) produces the effect in terms of weight loss and cooling comparable to the pin-occupied slots of FIGS. 3 and 4 is.
  • Cooling bores 16, 17 and cross bores 28 with internal roughness such as To provide turbulators or fins. This leads to a significantly more efficient one Cooling because the shape of the cooling hole can be optimized.
  • the cooling holes 16, 17 and cross holes 28 are to the side by after drilling closed ends 31 and 32 blocked off.
  • the cooling bores 16, 17 have again preferably throttling points 19 and open into laterally arranged depressions 14, 15 open at the top

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Luftgekühlte Turbinenschaufel (10), welche an der Schaufelspitze ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement (11) aufweist, wobei im Inneren des Deckbandelementes (11) Hohlräume (16,16',17,17') zur Kühlung vorgesehen sind, welche eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel (10) zur Schaufelspitze verlaufenden Kühlluftkanal (18) in Verbindung stehen, und ausgangsseitig in den die Turbinenschaufel (10) umgebenden Aussenraum münden, bei der die Hohlräume (16,16',17,17') und das Deckbandelement (11) zur Verringerung des Gewichtes des Deckbandelementes (11) in Form und Abmessung aufeinander abgestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine luftgekühlte Turbinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Turbinenschaufel ist z.B. aus der Druckschrift US-A-5,482,435 oder der US-A-5,785,496 bekannt.
STAND DER TECHNIK
Moderne Gasturbinen arbeiten bei extrem hohen Temperaturen. Dies bedingt eine intensive Kühlung der Turbinenschaufeln, die heutzutage in modernen Gasturbinen eingesetzt werden. Hierbei ist es meist besonders schwierig, die exponierten Bereiche der Schaufeln gut zu kühlen. Einer dieser Bereiche ist das Deckband bzw. Deckbandelement der Schaufel. Eine Möglichkeit, das Deckbandelement zu kühlen, ist in der eingangs genannten Druckschrift US-A-5,785,496 beschrieben worden. Dort wird vorgeschlagen (siehe die dortigen Fig. 1A und 1B), das Deckbandelement durch eine Reihe paralleler Kühlbohrungen zu kühlen, die sich von der (zentralen) Laufschaufel durch das Deckbandelement hindurch zur äusseren Kante des Deckbandelementes erstrecken und dort in den Aussenraum münden. In der US-A-5,482,435 sind zu demselben Zweck nur zwei in entgegengesetzte Richtungen laufende Bohrungen vorgesehen.
Diese bekannten Lösungen haben allerdings Nachteile: Die bekannten Kühlbohrungen nehmen innerhalb des Deckbandelementes vergleichsweise wenig Platz ein. Da zum Einbringen der Bohrungen im Deckbandelement eine bestimmte Mindestdicke des Deckbandelementes benötigt wird, und diese oder eine noch grössere Dicke des Deckbandelementes auch im Bereich ausserhalb der Bohrungen beibehalten wird, ergibt sich ein ungünstig kleines Verhältnis von durchströmtem Deckbandvolumen zu nicht durchströmtem Deckbandvolumen. Dies hat zur Folge, dass die Kühlung des Deckbandelementes nicht optimal ist, und dass das Deckbandelement aufgrund des grossen Anteils an Vollmaterial vergleichsweise schwer ist und damit während des Betriebes aufgrund der Zentrifugalkräfte hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.
Zur Lösung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden (GB-A-2,290,833), auf im Inneren des Deckbandelementes verlaufende Kühlbohrungen praktisch ganz zu verzichten und statt dessen Kühlluft nach Art einer Filmkühlung aus einem Verteilkanal über eine Reihe von kleinen Oeffnungen auf die Oberseite des Deckbandelementes ausströmen zu lassen, um ein dünneres und leichteres Deckbandelement zu ermöglichen. Problematisch ist dabei jedoch, dass die Effektivität dieser Oberflächen-Filmkühlung des Deckbandelementes stark von den auf der Oberseite des Deckbandelementes herrschenden Strömungsverhältnissen abhängt und damit nur schwer für die verschiedenen Betriebszustände optimiert werden kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenschaufel mit luftgekühltem Deckbandelement zu schaffen; bei welcher die genannten Nachteile auf einfache Weise vermieden werden können, und die sich insbesondere bei deutlicher Gewichtsreduzierung des Deckbandelementes durch eine wirksame Kühlung des Deckbandelementes auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Kern der Erfindung ist es, die das Kühlfluid führenden Hohlräume im Inneren des Deckbandelementes in Abstimmung mit dem Deckbandelement in Form und Abmessung so auszugestalten, dass das vom Kühlfluid durchströmte Volumen einen hohen Anteil am Gesamtvolumen des Deckbandelementes einnimmt. Hierdurch kann bei gleichzeitig sehr effizienter Kühlung das Gewicht des Deckbandelementes erheblich reduziert werden.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlräume Kühlbohrungen umfassen, dass die Kühlbohrungen tunnelförmig ausgebildet sind, wobei die Dicke des Deckbandelementes ausserhalb der Kühlbohrungen reduziert ist, und dass die Kühlbohrungen im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufelspitze von innen nach aussen verlaufen und jeweils vor dem äusseren Rand des Deckbandelementes nach oben in den Aussenraum münden. Die tunnelförmige Ausbildung der Kühlbohrungen reduziert nicht nur den Anteil des Vollmaterials am Deckbandelement, sondern versteift zugleich das Deckbandelement mechanisch. Die nach oben austretende Kühlluft kann auch dann ungehindert austreten, wenn die Deckbandelemente aller Schaufeln einer Turbinenstufe aneinandergereiht zu einem ringförmigen Deckband vereinigt werden.
Bevorzugt sind dazu in das Deckbandelement von der Oberseite her Vertiefungen eingelassen, und münden die Kühlbohrungen seitlich in die Vertiefungen. Von Vorteil ist weiterhin, wenn in den Kühlbohrungen jeweils eine Drosselstelle zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen ist, und die Drosselstellen jeweils an der Eingangsseite der Kühlbohrungen angeordnet sind. Ein Teil der Kühlbohrungen kann auch als Diffusor ausgebildet sein.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume als Schlitze ausgebildet sind, welche sich über die Breite des Deckbandelementes erstrecken, dass die Schlitze im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufelspitze von innen nach aussen verlaufen und jeweils vor dem äusseren Rand des Deckbandelementes nach oben in den Aussenraum münden, dass in das Deckbandelement von der Oberseite her Vertiefungen eingelassen sind, und dass die Schlitze seitlich in die Vertiefungen münden. Die breiten Schlitze ergeben ein gute Kühlung bei gleichzeitig erheblicher Materialreduktion. Auch hier kann es von Vorteil sein, in den Schlitzen jeweils Drosselstellen zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorzusehen, wobei die Drosselstellen jeweils an der Eingangsseite und/oder der Ausgangsseite der Schlitze angeordnet sind.
Besonders effektiv ist die Kühlung, wenn gemäss einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform in den Schlitzen Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Kühlluft und Deckbandelement vorgesehen sind. Insbesondere können die Schlitze als Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs eine verteilte Anordnung von Pins umfassen, die vom Kühlfluid turbulent umströmt werden und so den Wärmeübergang zwischen Kühlfluid und Deckbandmaterial weiter verbessern.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlräume sich in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze erstreckende Kühlbohrungen umfassen, dass die Kühlbohrungen von einer Mehrzahl von Querbohrungen durchkreuzt werden, und dass die Querbohrungen zum Aussenraum hin durch verschlossene Enden abgesperrt sind. Diese Konfiguration der sich kreuzenden Kühlbohrungen ist von der Geometrie her vergleichbar zu den vorher erwähnten breiten Schlitzen mit verteilter Pin-Anordnung. Auch hier wird bei stark verbessertem Wärmeübergang das Vollmaterial des Deckbandelementes massgeblich reduziert und somit Gewicht eingespart. Die sich kreuzenden Kühlbohrungen lassen sich mit herkömmlichen Mitteln vergleichsweise leicht in das Deckbandelement einbringen. Kühlungstechnisch besonders günstige Kühlbohrungen lassen sich erreichen, wenn die Kühlbohrungen und die Querbohrungen mittels des sogenannten "STEM drilling"-Prozesses hergestellt sind.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1
in der Draufsicht von oben ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel nach der Erfindung mit den (gestrichelt angedeuteten) tunnelförmigen Kühlbohrungen im Deckbandelement;
Fig. 2
von der Seite her gesehen die Spitze der Turbinenschaufel nach Fig. 1 innerhalb der Gasturbine mit der gegenüberliegenden Gehäusewand;
Fig. 3
in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit breiten Schlitzen und einer regelmässigen Anordnung von Pins in den Schlitzen;
Fig. 4
in einer zu Fig. 2 vergleichbaren Darstellung die Seitenansicht der Schaufel nach Fig. 3;
Fig. 5
in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit sich kreuzenden Kühlbohrungen und Querbohrungen; und
Fig. 6
in einer zu Fig. 2 vergleichbaren Darstellung die Seitenansicht der Schaufel nach Fig. 5.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist in der Draufsicht von oben ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel nach der Erfindung dargestellt. Die Turbinenschaufel 10 umfasst das eigentliche (senkrecht zur Zeichenebene sich erstreckende) Schaufelprofil 23 und ein quer dazu an der Schaufelspitze angeordnetes Deckbandelement 11, welches zusammen mit den Deckbandelementen der anderen (nicht gezeigten) Schaufeln ein durchgehendes, ringförmiges, mechanisch stabilisierendes Deckband ergibt. Das Schaufelprofil 23 ist im Inneren teilweise hohl und von einem oder mehreren Kühlluftkanälen 18 (in Fig. 1 gestrichelt angedeutet) durchzogen, die Kühlluft vom Schaufelfuss bis in die Schaufelspitze leiten (siehe z.B. Fig. 2 der US-A-5,482,435). Das Deckbandelement 11 hat auf seiner Oberseite (22 in Fig. 2) zwei parallel in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze verlaufende Rippen 12 und 13, die zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand 20 der Gasturbine eine durch Spalte mit der Umgebung verbundene Kavität 21 bilden (Fig. 2).
Im Inneren des Deckbandelementes 11 verlaufen zwischen und im wesentlichen parallel zu den Rippen 12, 13 mehrere Kühlbohrungen 16, 16' und 17, 17' (in Fig. 1 und 2 gestrichelt eingezeichnet) von der Mitte ausgehend nach aussen. Die Kühlbohrungen können von einheitlicher Gestalt sein, können aber auch unterschiedlich ausgestaltet sein. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 sind die Kühlbohrungen 16, 17 als Bohrungen mit weitgehend konstantem Durchmesser ausgelegt, während die Kühlbohrungen 16', 17' als Diffusoren mit sich in Strömungsrichtung erweiterndem Querschnitt ausgebildet sind.
Die Kühlbohrungen 16, 16' und 17, 17' stehen eingangsseitig mit dem Kühlluftkanal 18 in Verbindung und werden von diesem mit Kühlluft (oder einem anderen Kühlfluid) versorgt. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, erstrecken sich die Kühlbohrungen 16, 17 nicht ganz bis zum seitlichen Ende bzw. Rand des Deckbandelementes 11, sondern münden jeweils von der Seite her in eine längliche, von der Oberseite her in das Deckbandelement 11 eingelassen Vertiefung 14 bzw. 15. Dadurch ist gewährleistet, dass die Kühlluft immer durch die Kühlbohrungen hindurchtritt, auch wenn zwei (benachbarte) Deckbandelemente in mechanischem Kontakt stehen. Es versteht sich von selbst, dass anstelle der durchgehenden Vertiefungen 14, 15 auch jede der Kühlbohrungen 16, 16' und 17, 17' für sich genommen mit einer separaten Vertiefung in Verbindung stehen kann. Weiterhin ist es auch denkbar, die Kühlbohrungen 16, 16' und 17, 17' leicht schräg und von einer Parallelität untereinander abweichend verlaufen zu lassen, wenn es zur Optimierung der Kühlung über die gesamte Fläche des Deckbandelementes 11 nötig ist.
Weiterhin führt ein Ausblasen der Kühlluft nach oben zu einem "Aufblasen" der Kavität 21 im Deckband (Fig. 2). Dies führt zu einer Erhöhung des Druckes im Spalt zwischen Deckbandelement 11 und Gehäusewand 20 und trägt damit zu einer Verkleinerung des eindringenden Massenstromes an Heissgas 24 bei. Weiterhin wird natürlich auch die Mischtemperatur in diesem Bereich abgesenkt, wodurch die thermische Belastung des Deckbandelementes 11 von der Oberseite 22 her verringert wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Kühlbohrungen 16, 16' und 17, 17' vorzugsweise eingangsseitig, d.h. im Bereich der Kühlluftversorgung am Profil 23, jeweils mit einer Drosselstelle 19 auszustatten. Dadurch wird es möglich, den Kühlluftmassenstrom gezielt zu begrenzen und eine deutlich effizientere Kühlung zu erhalten.
Entscheidend für die erfindungsgemässe Reduktion des Gewichtes des Deckbandelementes 11 ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 jedoch, dass die Kühlbohrungen 16, 16' und 17, 17' tunnelförmig ausgebildet sind. Das bedeutet, dass - wie in der Seitenansicht von Fig. 2 deutlich zu sehen ist - die Dicke des Deckbandelementes 11 ausserhalb der Kühlbohrungen 16, 16'; 17, 17' reduziert ist. Hierdurch kann beim Deckbandelement erheblich an Material und damit an Gewicht eingespart werden. Gleichzeitig reduziert sich das zu kühlende Materialvolumen. Schliesslich bilden die tunnelförmigen Kühlbohrungen 16, 16' und 17, 17' auf der Oberseite des Deckbandelementes rippenförmige Erhebungen, die massgeblich zu einer Erhöhung der mechanischen Steifigkeit des Deckbandelementes 11 beitragen.
Eine alternative Form der Gewichtsreduktion ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 wiedergegeben. Hier ist im Inneren des Deckbandelementes 11 anstelle einer Vielzahl von Kühlbohrungen zu beiden Seiten des Schaufelprofils jeweils ein breiter Schlitz 25 bzw. 26 vorgesehen, der sich jeweils vom zentralen Kühlluftkanal 18 bis zu den seitlichen Vertiefungen 14 bzw. 15 erstreckt und dort mündet. Die Schlitze 25, 26 führen wegen ihrer durchgehenden Breite zu einer erheblichen Gewichtsreduktion und gewährleisten eine über die gesamte Breite gleichmässig verteilte Kühlung Auch hier können jeweils Drosselstellen 19 bzw. 19' zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen sein, wobei die Drosselstellen jeweils an der Eingangsseite (Drosselstellen 19) und/oder der Ausgangsseite (Drosselstellen 19') der Schlitze 25, 26 positioniert sind. Die Kühlung durch die Schlitze 25, 26 kann in ihrer Wirkung weiter erhöht werden, wenn als Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs in den Schlitzen eine verteilte Anordnung (einen "array") von Pins 27 vorgesehen wird. Die Pins 7 erhöhen die Turbulenz der Kühlluftströmung und stellen zusätzliche Flächen für den Wärmeübergang dar. Darüber hinaus wirken sie mechanisch stabilisierend, wenn sie in den Schlitzen von Wand zu Wand reichen. Zahl und Anordnung der Pins im "array" können im Rahmen einer Optimierung der Kühlwirkung verändert werden.
Eine weitere alternative Art der Gewichtsreduktion im Rahmen der Erfindung ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Hier wird im Deckbandelement 11 eine "Matrix" aus parallelen Kühlbohrungen 16, 17 (Bohrachse 29) und diese kreuzenden Querbohrungen 28 (Bohrachse 30) erzeugt, die in ihrer Wirkung hinsichtlich Gewichtsreduktion und Kühlung vergleichbar mit den Pin-besetzten Schlitzen der Fig. 3 und 4 ist. Die Kühlbohrungen 16, 17 und die Querbohrungen 28 werden - wie auch die Kühlbohrungen in Fig. 1 und 2 - vorzugsweise mit dem sogenannten "STEM drilling"-Verfahren hergestellt, das in der US-A-5,306,401 in allen Einzelheiten beschrieben ist. Dadurch ist es (durch Veränderung des Vorschubs) möglich, die Kühlbohrungen 16, 17 und Querbohrungen 28 mit internen Rauhigkeiten wie z.B. Turbulatoren oder Rippen zu versehen. Dies führt zu einer deutlich effizienteren Kühlung, weil die Form der Kühlbohrung optimiert werden kann. Die Kühlbohrungen 16, 17 und Querbohrungen 28 werden zur Seite hin durch nach dem Bohren verschlossene Enden 31 bzw. 32 abgesperrt. Die Kühlbohrungen 16, 17 haben auch hier vorzugsweise Drosselstellen 19 und münden in seitlich angeordnete, nach oben offene Vertiefungen 14, 15.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
Turbinenschaufel
11
Deckbandelement
12,13
Rippe
14,15
Vertiefung
16,16',17,17'
Kühlbohrung
18
Kühlluftkanal
19,19'
Drosselstelle
20
Gehäusewand
21
Kavität
22
Oberseite (Deckbandelement)
23
Schaufelprofil
24
Heissgas
25,26
Schlitz
27
Pin
28
Querbohrung
29,30
Bohrachse
31,32
verschlossenes Ende

Claims (21)

  1. Luftgekühlte Turbinenschaufel (10), welche an der Schaufelspitze ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement (11) aufweist, wobei im Inneren des Deckbandelementes (11) Hohlräume (16, 16', 17, 17'; 25, 26; 28 ) zur Kühlung vorgesehen sind, welche eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel (10) zur Schaufelspitze verlaufenden Kühlluftkanal (18) in Verbindung stehen, und ausgangsseitig in den die Turbinenschaufel (10) umgebenden Aussenraum münden, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (16, 16', 17, 17'; 25, 26; 28) und das Deckbandelement (11) zur Verringerung des Gewichtes des Deckbandelementes (11) in Form und Abmessung aufeinander abgestimmt sind.
  2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') umfassen, und dass die Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') tunnelförmig ausgebildet sind, wobei die Dicke des Deckbandelementes (11) ausserhalb der Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') reduziert ist.
  3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') zur Oberseite (22) des Deckbandelementes (11) hin in den Aussenraum münden.
  4. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufelspitze von innen nach aussen verlaufen und jeweils vor dem äusseren Rand des Deckbandelementes (11) nach oben in den Aussenraum münden.
  5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das Deckbandelement (11) von der Oberseite her Vertiefungen (14, 15) eingelassen sind, und dass die Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') seitlich in die Vertiefungen (14, 15) münden.
  6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') jeweils eine Drosselstelle (19) zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen ist, und dass die Drosselstellen (19) jeweils an der Eingangsseite der Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') angeordnet sind.
  7. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kühlbohrungen (16', 17') als Diffusor ausgebildet ist.
  8. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume als Schlitze (25, 26) ausgebildet sind, welche sich über die Breite des Deckbandelementes (11) erstrecken.
  9. Turbinenschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (25, 26) zur Oberseite (22) des Deckbandelementes (11) hin in den Aussenraum münden.
  10. Turbinenschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (25, 26) im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufelspitze von innen nach aussen verlaufen und jeweils vor dem äusseren Rand des Deckbandelementes (11) nach oben in den Aussenraum münden.
  11. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in das Deckbandelement (11) von der Oberseite her Vertiefungen (14, 15) eingelassen sind, und dass die Schlitze (25, 26) seitlich in die Vertiefungen (14, 15) münden.
  12. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schlitzen (25, 26) jeweils Drosselstellen (19, 19') zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen ist, und dass die Drosselstellen (19, 19') jeweils an der Eingangsseite und/oder der Ausgangsseite der Schlitze (25, 26) angeordnet sind.
  13. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schlitzen (25, 26) Mittel (27) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Kühlluft und Deckbandelement (11) vorgesehen sind.
  14. Turbinenschaufel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (26, 27) als Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs eine verteilte Anordnung von Pins (27) umfassen.
  15. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume sich in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze erstreckende Kühlbohrungen (16, 17) umfassen, und dass die Kühlbohrungen (16, 17) von einer Mehrzahl von Querbohrungen (28) durchkreuzt werden.
  16. Turbinenschaufel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbohrungen (28) zum Aussenraum hin durch verschlossene Enden (31, 32) abgesperrt sind.
  17. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 17) jeweils vor dem äusseren Rand des Deckbandelementes (11) nach oben in den Aussenraum münden.
  18. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in das Deckbandelement (11) von der Oberseite her Vertiefungen (14, 15) eingelassen sind, und dass die Kühlbohrungen (16, 17) seitlich in die Vertiefungen (14, 15) münden.
  19. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlbohrungen (16, 17) jeweils eine Drosselstelle (19) zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen ist, und dass die Drosselstellen (19) jeweils an der Eingangsseite der Kühlbohrungen (16, 17) angeordnet sind.
  20. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 7 und 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 16'; 17, 17') und die Querbohrungen (28) mittels des sogenannten "STEM drilling"-Prozesses hergestellt sind.
  21. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Deckbandelementes (11) parallel zueinander verlaufende, voneinander beabstandete Rippen (12, 13) vorgesehen sind, welche zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand (20) der Gasturbine eine Kavität (21) bilden, und dass die Hohlräume (16, 16'; 17, 17') in die Kavität (21) münden.
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