Heißgasbauteil einer Gasturbine

Die Erfindung betrifft ein Heißgasbauteil einer Gasturbine, beispielsweise eine Turbinenschaufel, mit einer Wand umfas send zumindest zwei Flächen, deren ersten Fläche im Betrieb einem Kühlmedium ausgesetzt ist und deren zweiten Fläche der ersten Fläche gegenüberliegt und im Betrieb einem heißeren Medium ausgesetzt ist, wobei in der Wand zumindest ein Kühl kanal vorgesehen ist, der sich im Wesentlichen parallel zur zweiten Fläche erstreckt und in den entlang einer Kanalachse des Kühlkanals verteilt eine Anzahl von Versorgungskanälen zum Einspeisen des Kühlmediums in den Kühlkanal mündet, deren Einlässe in der ersten Fläche angeordnet sind, wobei zum Her ausführen des im Kühlkanal strömbaren Kühlmediums aus der Wand eine Anzahl von Auslasskanälen vom Kühlkanal abzweigt und in der zweiten Fläche mündet.

Ein gattungsgemäßes Heißgasbauteil geht beispielsweise aus der EP 227579 A2 hervor, welches demzufolge als Turbinen schaufel ausgestaltet ist. Aufgrund der komplexen Geometrie der Kühlstruktur ist es erforderlich, die Turbinenschaufel aus mehreren einzelnen Segmenten aufzubauen, wobei die Ein lasskanäle und die Auslasskanäle in den Kontaktebenen der be nachbarten Segmente angeordnet sind. Anders war die gezeigte, komplexe Kühlstruktur bisher nicht herstellbar.

Nachteilig bei der vorbekannten Turbinenschaufel ist die un günstige Positionierung der Einlässe und Auslässe, die eine Umkehrung der Rotationsrichtung des Kühlmediums im Kühlkanal erfordert, damit dieses in den schlitzförmigen Auslass ein strömen kann. Insofern besteht Bedarf an einer strömungsver lustärmeren Kühlung der Turbinenschaufel. Ungeachtet dessen könnte die Gefahr eines schwerwiegenden Schadens beim Betrieb der vorbekannten Turbinenschaufel bestehen, für den Fall, dass aufgrund einer unzureichenden Verbindung ein Segment des Schaufelblatts sich von dem Rest der Turbinenschaufel lösen würde.

Weiter offenbart die US 2010/0040480 Al eine Turbinenschaufel mit einer Vielzahl von individuellen Drallzellen, die ge trennt voneinander angeordnet sind. Jede dieser Drallzellen besitzt exakt einen Kühlluft-Einlass und einen Kühlluft- Auslass. Deren Position und Geometrie sind dabei so gewählt, dass die durch den Auslass aus der heißen Oberfläche der Tur binenschaufeln austretende Kühlluft eine optimierte Filmküh lung ermöglicht.

Mithin liegt die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Heißgasbauteils einer Gasturbine mit einer verlustärme ren, effizienteren Kühlung. Weitere Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Heißgasbauteils mit einer ver längerten Lebensdauer.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei dem eingangs genannten Heißgasbauteil zur wandnahen Kühlung zumindest eine der Mündungen der Versorgungskanäle, insbesondere alle Mündungen der Versorgungskanäle, bezogen auf unmittelbar axial benachbarte Einströmöffnungen der Aus lasskanäle, zu diesen mit axialem Abstand versetzt angeordnet sind. Mit anderen Worten: die Mündungen der Versorgungskanäle und die Einströmöffnungen der Auslasskanäle überlappen sich längs der Kanalachse des Kühlkanals nicht. Weiter weist zu mindest einer der Versorgungskanäle, weisen insbesondere alle Versorgungskanäle, einen Kanalabschnitt auf, der sich paral lel zur zweiten Fläche erstreckt. Hierdurch lässt sich eine gleichmäßige Kühlung der Wand erreichen, insbesondere im Be reich der parallel zur zweiten Fläche ausgebildeten Versor gungskanäle. Ein derartiges Heißgasbauteil kann insbesondere Dank neuerer Herstellungstechnologien wie dem Laser- Pulverbett-Schmelzen, auch bekannt als Laser-Powder-Bed- Fusion (LPBF), oder artverwandten Verfahren ohne weiteres hergestellt werden.

Aufgrund der Bereitstellung des axialen Abstandes zwischen einer Mündung eines der Versorgungskanäle und einer Einlass öffnung der unmittelbar zum betreffenden Versorgungskanal be nachbarten Auslasskanäle kann das dem Kühlkanal zugeführte Kühlmedium nicht direkt entweichen. Vielmehr muss das Kühlme dium von der Mündung im Kühlkanal bis zu einer distanzierten Einlassöffnung strömen, wobei es währenddessen die Wand des Heißgasbauteils effizient konvektiv kühlt. Somit wird vermie den, dass ein Anteil des Kühlmediums, ohne dass es zur Küh lung effektiv beigetragen hat, den Kühlkanal vorzeitig ver lässt. Dies steigert die Kühlung des Heißgasbauteils.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben, deren Merkmale in beliebiger Weise mit einander kombiniert werden können.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest einer der Versorgungskanäle in Bezug auf den Kühlkanal radial ausgerichtet. Vorzugsweise sind alle Versorgungskanäle in Be zug auf den Kühlkanal radial ausgerichtet.

Diese Ausgestaltung ermöglicht die lokale Prallkühlung der zu kühlenden Wand des Heißgasbauteils, da das die Versorgungska näle verlassende Kühlmedium in Form eines Prallstrahles auf die gegenüberliegende Wand des Kühlkanals senkrecht auf prallt. Dies trägt zur Steigerung des Wärmeübergangs aus der Wand des Heißgasbauteils in das Kühlmedium bei.

Gemäß einer dazu alternativen Ausgestaltung ist zumindest ei ner der Versorgungskanäle in Bezug auf den Kühlkanal tan gential ausgerichtet. Vorzugsweise sind alle Versorgungs kanäle in Bezug auf den Kühlkanal tangential ausgerichtet. Aufgrund der tangentialen Zuführung des Kühlmediums in den Kühlkanal kann sich in diesem eine Zyklonen-Kühlung ausbil den, d.h. das Medium strömt entlang einer Schraubenlinie von der Mündung des Versorgungskanals zu dem Einlass des Auslass kanals. Die währenddessen entstehende Turbulenz verursacht eine homogene Wärmeabfuhr mit dem Ziel der Vermeidung von lo kalen Temperatur-/Spannungsspitzen im Heißgasbauteil. Auch hiermit kann eine effiziente Kühlung des Heißgasbauteils er reicht werden.

In selbstverständlicher Art und Weise lassen sich die voran beschriebenen Alternativen je Kühlkanal oder auch innerhalb eines Kühlkanals miteinander kombinieren.

Weiter bevorzugt ist bzw. sind zumindest einer der Auslass kanäle, vorzugsweise alle Auslasskanäle in Bezug auf den Kühlkanal tangential derart ausgerichtet, dass ein Anteil des im Kühlkanal teilweise schraubenlinienförmig strömenden Kühl mediums ohne wesentliche Änderung seiner Strömungsrichtung, d.h. im Wesentlichen tangential aus dem Kühlkanal ausströmbar und in den Auslasskanal einströmbar ist. Insbesondere diese Variante unterstützt das verlustarme Herausleiten der Kühl medium aus dem Kühlkanal. Das Ausblasen erfolgt vorzugsweise unter einem Winkel von 60° zur Strömungsrichtung, um eine nachfolgende Filmkühlung der zweiten Fläche bzw. der Wand zu ermöglichen. Dabei findet das Ausblasen der einzelnen Aus lasskanäle entlang der Strömungsrichtung des Heißgases ver setzt statt, um einen homogenen Kühlfilm zu ermöglichen.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass der axiale Abstand zwischen einer der Mündungen der Versor gungskanäle und einer der Einströmöffnungen der Auslasskanäle mindestens das 2-fache und maximal das 100-fache des arith metischen Mittels der Durchmesser der beiden Öffnungen, d.h. der Mündung des Versorgungskanals und der Einströmöffnung des Auslasskanals, beträgt. Aufgrund des axialen Abstands kann das Kühlmedium nach dem Einspeisen in den Kühlkanal diesen erst nach Durchströmen einer Mindestlänge verlassen. Der axi ale Abstand sollte so gewählt werden, dass der Druckverlust, bzw. das Abschwächen der Turbulenz nicht in einer inhomogenen Temperaturverteilung resultiert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder Versorgungskanal einen minimalen Querschnitt aufweist, wobei diese zumindest für jeden zugehörigen Kühlkanal gleich groß sind, und bei der für jeden Kühlkanal zumindest einer der Querschnitte seiner Auslasskanäle kleiner ist als der mini male Querschnitt seiner Versorgungskanäle. Grundsätzlich ist die Summe der Querschnitte aller Auslasskanäle je Kühlkanal geringer als die Summe der Querschnitte der betroffenen Ver sorgungskanäle. Hierdurch lässt sich die Menge an ausströ mende Kühlmedium sicher einstellen, ohne dass lokal mit einem Heißgaseindringen zu rechnen ist.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist bei einer Querschnittsbetrachtung des Kühlkanals die Mündung eines der Versorgungskanäle von der Einströmöffnung eines der Auslass kanäle durch einen dazwischen liegenden, kürzeren Kreisbogen voneinander getrennt, dessen Länge nicht mehr als 35 % des Gesamtumfangs des Kühlkanals beträgt. Dies lässt eine kompak te Bauweise zu.

Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die Wand monolithisch ausgestaltet ist und mehrere Kühlkanäle mit ent sprechend ausgestalteten Versorgungskanälen und Auslasskanä len aufweist. Beispielsweise kann das Heißgasbauteil mittels Pulverbett-Schmelzen monolithisch hergestellt werden, sodass es im Vergleich zum einschlägigen Stand der Technik eine sig nifikant verlängerte Lebensdauer aufweist und ein geringes Risiko zum Versagen aufweist. Auch lassen sich mithilfe die ses Herstellungsverfahrens unterschiedliche vorteilhafte Wei terbildungen der Erfindung in beliebiger Art und Weise mit einander kombinieren. Durch das Verfahren ist es möglich, die lokal reduzierte Wanddicke zwischen Kühlkanal und ersten Flä che bzw. der zweiten Fläche auf mindestens 0,5 mm zu begren zen. Dadurch wird ein hoher Temperaturgradient erreicht und die Spannungen im Material reduziert. Insbesondere hierdurch wird die Bereitstellung einer vergleichsweise kompakten, d. h. dünnwandigen und innengekühlten Heißgas-Wand ermöglicht, was im Sinne einer effizienten Kühlung des Heißgasbauteils äußerst wünschenswert ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der betreffende Versorgungskanal einen Übergangsabschnitt auf, der den betreffenden Kanalabschnitt mit der Mündung des zuge hörigen Vorsorgungskanals verbindet. Dieser Übergangsab schnitt erstreckt sich sodann in einer Querschnittsansicht, welche senkrecht zum Kühlkanal ist, nicht parallel zur zwei ten Fläche.

Wenn der Übergangsabschnitt eine S-förmige Längserstreckung aufweist, kann eine stufen- und kantenfreie Strömungsführung im Inneren des Versorgungskanals erfolgen, was Strömungsver luste in der Kühlluft reduziert. Alternativ dazu ermöglicht eine Eishockeyschläger-förmige, d.h. eine geringfügig abkni ckende Strömungsführeng angesichts eines dementsprechend aus gestalteten Versorgungskanals eine kompakte Bauform, deren parallele Kanalabschnitte eine größere zweite Fläche abdecken können als bei einer S-förmigen Ausgestaltung des Übergangs abschnitts. Hiermit kann eine vergrößerte Fläche gleichmäßig gekühlt werden.

Zweckmäßigerweise kann das Heißgasbauteil als Turbinenleit schaufel, Turbinenlaufschaufel, Ringsegment oder Hitzeschild einer Turbine oder einer Brennkammer ausgestaltet sein.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand dreier Ausführungs beispiele näher angegeben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Turbinenschaufel in einer schematischen Dar stellung,

Fig. 2 einen ersten Ausschnitt eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel als Wand eines Heißgasbauteils ei ner Gasturbine,

Fig. 3 einen zweiten Ausschnitt der Schaufelblattwand, Fig. 4 als erstes Ausführungsbeispiel einen ersten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem tangentia len Versorgungskanal,

Fig. 5 als zweites Ausführungsbeispiel einen zweiten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem radialen Versorgungskanal,

Fig. 6 als drittes Ausführungsbeispiel einen dritten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem tangentia len Versorgungskanal und

Fig. 7 als viertes Ausführungsbeispiel einen vierten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem tangential mündenden Versorgungskanal und einem Eishockey schlager-förmigen Übergangsabschnitt.

Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung rein schematisch eine Turbinenschaufel 10, welche als Laufschaufel ausgestaltet ist. Die Turbinenschaufel 10 ist ein exemplari sches Beispiel für ein Heißgasbauteil 11 einer Gasturbine.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können selbstverständlich auch in anderen Heißgasbauteilen einer Gasturbine, beispielsweise in einem Hitzeschild einer Turbi neneinheit oder einer Brennkammer angewendet werden. Mithin ist der Einsatz der Erfindung nicht auf die hier gelisteten Bauteile beschränkt.

In konventioneller Art und Weise umfasst die Turbinenschaufel 10 ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 12, welches an einer Plattform 14 angrenzt. Die Plattform 14 wird dabei von einem Schaufelfuß 16 getragen, welcher formschlüssig in einer nicht weiter dargestellten Rotorscheibe einer Gasturbine be festigt werden kann. In Bezug auf die Gasturbine erstreckt sich der Schaufelfuß entlang einer X-Richtung, welche mit der Rotationsachse der Gasturbine zusammenfallen kann. Dann re präsentiert die Y-Richtung die Umfangsrichtung und die R- Richtung die Radialrichtung der Gasturbine. Insofern er- streckt sich das Schaufelblatt 12 in Radialrichtung betrach tet von seinem plattformseitigen Ende hin zu einer Schaufel spitze und in X-Richtung betrachtet von einer Vorderkante 20 zu einer Hinterkante 22. Die äußere Fläche des Schaufelblatts 12 und auch die der Plattform 14 sind während des Betriebs einem Heißgas ausgesetzt. Damit die Turbinenschaufel den im Heißgas herrschenden Temperaturen standhalten kann, ist das Schaufelblatt 12 üblicherweise hohl ausgestaltet und weist im Inneren demzufolge einen oder mehrere Hohlräume auf, denen zur Kühlung der Schaufelblattwand im Betrieb ein Kühlmittel, zumeist Kühlluft, zurückführbar ist.

Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die be reits erwähnte Schaufelblattwand, welche die Wand 24 des Heißgasbauteils 11 repräsentiert. Die Wand 24 umfasst zwei einander gegenüberliegende Flächen 25A, 25B, von denen die erste Fläche 25A im Betrieb dem Kühlmittel und von denen die zweite Fläche 25B im Betrieb dem Heißgas ausgesetzt ist.

In der Wand 24 ist eine Vielzahl von längs der Radialrichtung R verlaufenden Kühlkanälen 26 angeordnet. Somit sind sie in Bezug auf die Strömungsrichtung des Heißgases senkrecht dazu angeordnet. Die Kühlkanäle 26 sind im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen kreisrund und erstrecken sich vorzugsweise von dem plattformseitigen Ende bis zur Schaufelspitze. Wie exemplarisch angedeutet, können die Kühlkanäle 26 auch kürzer ausgestaltet sein.

In jedem Kühlkanal 26 münden mehrere Versorgungskanäle 28, die entweder tangential (Fig. 4) oder radial (Fig. 5) in Be zug auf eine Kanalachse 30 des Kühlkanals angeordnet sind.

Die Einlassöffnungen 28E der Versorgungkanäle 28 sind in der ersten Fläche 25A angeordnet. Zweckmäßigerweise sind die Ver sorgungskanäle 28 längs der Kanalachse 30 (Fig. 3) in regel mäßigen Abständen n zueinander beabstandet.

Zwischen jeweils zwei zum selben Kühlkanal gehörenden benach barten Mündungen 28M der Versorgungskanäle 28 zweigen Aus- lasskanäle 32 von dem betreffenden Kühlkanal 26 ab. Auch die se sind in regelmäßigen Abständen n zueinander beabstandet, jedoch derart zu den Mündungen 28M der Versorgungskanäle 28 versetzt, dass die Mündungen 28M nicht mit den Abzweigungen, d. h. Einlassöffnungen 32E der Auslasskanäle 32 überlappen.

Um Totwassergebiete in den Kühlkanälen 26 zu vermeiden, ist es zweckdienlich, dass an jedem Ende des Kühlkanals 26 zumin dest ein Auslasskanal 32 vorgesehen ist. Die Auslasskanäle 32 münden beispielsweise unter einem Winkel von 30° zur Ober flächennormalen als Filmkühlöffnungen in der zweiten Fläche 25B, die während des Betriebs dem Heißgas ausgesetzt ist. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, sind die Auslasskanäle 32 benachbarter Kühlkanäle 26 versetzt zueinander angeordnet, um einen homogenen Kühlfilm zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Abstand n 50 mm betragen, der Durchmesser der Versor gungskanäle und der Auslasskanäle 0,75 mm und der Durchmesser der Kühlkanäle 1,5 mm betragen; wobei eine minimale Wanddicke im Bereich der Kühlkanäle zwischen der zweiten Fläche und dem Kühlkanal 0,5 mm betragen kann.

Wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, liegen die Mündungen 28M der Versorgungskanäle bei einer Querschnittsbetrachtung des Kühlkanals 26 den Abzweigungen, d. h. Einlassöffnungen 32E der Auslasskanäle 32 im Wesentlichen gegenüber. Mit anderen Worten: bei der Querschnittsbetrachtung des Kühlkanals 26 sind die Mündung 28M des Versorgungskanals 28 von der Ein strömöffnung 32E des Auslasskanals 32 durch einen dazwischen liegenden, kürzeren Kreisbogen KB voneinander getrennt, des sen Länge gemäß Figur 4 etwa 20 % des Gesamtumfangs des Kühl kanals 26 beträgt.

Wie Fig. 6 verdeutlich, besteht alternativ die Möglichkeit, dass die Zuführung von Kühlluft in den Kühlkanal 26 in unmit telbarer Umfangsnähe der Einlassöffnung 32E der Auslasskanäle 32 erfolgen kann. In diesem Fall beträgt der kürzeste Um fangsabstand KB zwischen den beiden besagten Öffnungen etwa 30% des Gesamtumfangs des Kühlkanals 26. Der Versorgungskanal 28 kann Teil einer komplexeren Kühlpassage sein, dessen Ende lediglich dargestellt ist. Das Ende der komplexeren Kühlpas sage bzw. des entsprechenden Versorgungskanals 28 umfasst ei nen Kanalabschnitt 28B, welcher sich im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Flächen 25A und 25B und insbesondere, ge mäß dieser Schnittansicht, parallel zur zweiten Fläche 25B erstreckt. Weiter umfasst der Versorgungskanal 28 gemäß die sem dritten Ausführungsbeispiels einen Übergangsabschnitt 28B, welcher zwischen dem parallelen Kanalabschnitt 28B und dem Kühlkanal 26 angeordnet beide verbindet. Der Übergangsab schnitt 28B ist gemäß Fig. 6 nach Art einer Doppelkurve S- förmig ausgestaltet und mündet schlussendlich tangential in den Kühlkanal 26.

Fig. 7 zeigt eine hierzu nahezu identische Ausgestaltung. An stelle eines S-förmig ausgestalteten Übergangsabschnitts 28B ist nach diesem vierten Ausführungsbeispiel der Übergangsab schnitt 28B nach Art eines Eishockeyschlägers leicht abkni ckend ausgestaltet.

Gemäß der Figuren 6 und 7 erstrecken sich die Versorgungska näle entlang der Querschnittsebene, die für die Darstellungen gewählt wurde. Somit sind diese Kanäle parallel zur Quer- schnittsebene und demgemäß senkrecht zur Kanalachse 30 des Kühlkanals 26 angeordnet. Alternativ dazu können - in einer nicht dargestellten Variante - die Versorgungskanäle 28 und/oder die Auslasskanäle 32 zur Querschnittsebene geneigt und somit auch in Bezug auf die Kanalachse 30 des Kühlkanals 26 nicht senkrecht angeordnet sein. Letzteres ist insbesonde re für tangential angeordnete Kanäle vorteilhaft. Wenn zudem einander zugehörige Auslasskanäle und Versorgungskanäle in gleicher Richtung und insbesondere mit gleichem Betrag, bei spielsweise in einem Winkel von 30° zur Kanalachse 30 geneigt sind, kann eine verlustärmere Einströmung in den Kühlkanal 26, eine verlustärmere Durchströmung des Kühlkanals 26 und eine verlustärmere Ausströmung aus den Kühlkanal 26 erfolgen. Weiter ist es möglich, dass mehrere in einen betreffenden Kühlkanal 26 mündende Versorgungskanäle 28 auch an anderer Stelle strömungstechnisch, beispielsweise durch so genannte Überbrückungskanäle, miteinander verbunden sind, um ein Ver sorgungsnetzwerk bereitzustellen.

Die in den Figuren 4 - 7 dargestellten Strömungspfeile reprä sentieren das Kühlmedium und dessen Strömungsweg.

Gemäß den in den Figuren 4 und 7 gezeigten Ausführungsbei spielen wird das Kühlmedium tangential in den Kühlkanal 26 eingeleitet. Darin teilt es sich auf und strömt anschließend entlang einer Schraubenlinie unter Ausbildung einer effizien ten Zyklonen-Kühlung zu den benachbarten Einströmöffnung 32E der Auslasskanäle 32. Danach kann das Kühlmedium ohne eine signifikante Änderung seiner Strömungsrichtung in die Ein strömöffnung und somit in den Auslasskanal 32 verlustarm ein- treten, um nach dessen Verlassen unter Ausbildung einer Film kühlung die Wand vor den thermischen Einflüssen des Heißgases zu schützen.

Im Gegensatz dazu ermöglicht das Ausführungsbeispiel nach Fi gur 5 noch vor der Aufteilung des Kühlmediums eine lokale Prallkühlung der Wand, verbunden mit einer konventionellen konvektiven Kühlung zwischen den Mündungen 28M und den be nachbarten Einströmöffnungen 32E. Um den Kühlmittelverbrauch einzustellen, ist die Summe der Querschnitte aller Auslasska näle 32 je Kühlkanal 26 geringer als die Summe der Quer schnitte der betroffenen Versorgungskanäle 28, vorzugsweise sind die Versorgungskanäle 28 im Durchmesser geringfügig grö ßer als die Auslasskanäle 32.

In allen Ausführungsbeispielen ist die erfindungsgemäße Wand 24 monolithisch ausgeführt und mittels eines additiven Her stellungsverfahrens, insbesondere Laser-Pulverbett-Schmelzen, hergestellt worden, so dass keine Fügestellen in dieser vor handen sind.