Turbinenlaufschaufel mit Kühlmittelkanal und Auslassöffnung Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufel mit einem Schaufelfuß und einem Schaufelblatt, bei der sich ausgehend von einem Eintrittspunkt wenigstens ein radialer Kühlmittel ^¬ kanal bis hin zu einem Endpunkt des Kühlkanals erstreckt. Die Leistungserwartungen an Gasturbinen sind in den letzten Jahren immer weiter angestiegen. Die Erwartungen werden bedient, indem man die entscheidenden Faktoren beim Betrieb von Gasturbinen, nämlich die Anströmtemperatur und den Anströmdruck des Arbeitsfluids immer weiter steigert. Dies ist nur mit Hilfe immer weiter optimierter Technologien zur Kühlung der einzelnen Turbinenschaufeln einer Gasturbine möglich.

Ein häufig in Gasturbinen eingesetztes Kühlmedium ist Luft. Ein Teil der verdichteten Luft wird im Verdichter entnommen und unter Umgehung der Brennkammer den Gasturbinenschaufeln zugeführt .

Bei bekannten Turbinenschaufeln wird die Kühlluft der Turbinenschaufel in einem oder mehreren Kühlkanälen zugeführt, die vom Schaufelfuß weg im Schaufelkörper bis zu einem Endpunkt des Kühlkanals verlaufen, an welchem eine Öffnung in einer Oberfläche des Schaufelblattes angeordnet ist, durch die die gesamte im Kühlmittelkanal geführte Kühlluft an dieser Stelle zur Kühlung der Turbinenschaufel ausgelassen wird.

Eine gleichmäßige Kühlung der Turbinenschaufel ist mit einer derartigen Gestaltung nur dann möglich, wenn sehr viele Kühlkanäle durch den Schaufelkörper getrieben werden, die dann in der großen Anzahl gegebenenfalls die Festigkeit der Turbinen- schaufei beeinträchtigen könnten.

Daneben ist es bekannt, große Turbinenlaufschaufeln, so wie sie in hinteren Stufen von Gasturbinen angeordnet werden, mit ungekühlten Hohlräumen auszustatten, um die während des Betriebs von ihnen ausgehende Fliehkraftbelastung vergleichs ^¬ weise gering zu halten. Dennoch kann aufgrund gesteigerter Anforderungen an die abgegebene Leistung der Gasturbine und/oder an die Lebensdauer der Lauschaufeln eine lokale Kühlung erforderlich sein.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach herstellbare Turbinenlaufschaufel bereitzustellen, die mit einer verhält- nismäßig geringen Anzahl an Kühlmittelkanälen eine lokal hinreichende Kühlung der Turbinenschaufel ermöglicht.

Eine erfindungsgemäße Turbinenlaufschaufel mit einem Schau ^¬ felfuß und einem Schaufelblatt weist im Schaufelblattinneren zumindest ein ungekühlter Hohlraum auf, wobei sich ausgehend von einem an dem Schaufelfuß angeordneten Eintrittspunkt we ^¬ nigstens ein radialer Kühlmittelkanal in einem Schaufelkörper der Turbinenlaufschaufel bis hin zu einem Endpunkt des Kühl ^¬ mittelkanals erstreckt, wobei der betreffende Kühlmittelkanal als gebohrtes Sackloch ausgebildet ist und wenigstens zwei Auslasskanäle vorgesehen sind, die den Kühlmittelkanal zur Leitung von Kühlmittel zu je einer Auslassöffnung an einer Außenwand des Schaufelblatts verbinden. Dadurch wird es möglich, mit einem zentralen Kühlmittelkanal der Turbinenlaufschaufel an mehreren Stellen des Schaufel ^¬ blattes Kühlluft auszulassen und damit das Schaufelblatt gleichmäßiger zu kühlen. Vorzugsweise ist sowohl an einer Vorderseite als auch an ei ^¬ ner Rückseite des Schaufelblattes jeweils wenigstens eine Auslassöffnung angeordnet, die mittels eines Auslasskanals mit dem Kühlmittelkanal verbunden ist. Dies ermöglicht eine beidseitige Kühlung des Schaufelblattes, ausgehend aus einem einzigen Kühlmittelkanal.

Um eine noch gleichmäßigere Kühlung der Turbinenlaufschaufel zu ermöglichen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung an dem Schaufelblatt eine Mehrzahl von Auslassöffnungen angeordnet, die jeweils mittels eines Auslasskanals mit dem Kühlmit ^¬ telkanal verbunden sind. Vorzugsweise sind die Auslasskanäle mit einem deutlich klei ^¬ neren Querschnittsdurchmesser ausgebildet als der Kühlmittelkanal, insbesondere mit einem Durchmesserverhältnis von 1:5, 1:10 oder höher . Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der Auslasskanal/die Auslasskanäle sind als Durchgangsbohrungen ausgebildet. Eine gebohrte Ausführung des Kühlmittelkanals und/oder der Aus ^¬ lasskanäle ermöglicht eine einfache und günstige Fertigung der Turbinenlaufschaufel und insbesondere ihres Kühlsystems.

Insbesondere der Kühlmittelkanal kann jedoch auch mittels electrical discharge machining (EDM, zu Deutsch:

funkenerosives Bearbeiten) gefertigt werden. Dies kann bei ^¬ spielsweise bei größeren Turbinenlaufschaufeln eine größere Tiefe des Kühlmittelkanals ermöglichen.

Um eine höhere Kühlleistung realisieren zu können, ist in einer bevorzugten Ausführung in dem Schaufelkörper eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen angeordnet, insbesondere zwei, drei, fünf, zehn oder eine größere Vielzahl.

Vorzugsweise weist dabei jeder dieser Kühlmittelkanäle we ^¬ nigstens einen Auslasskanal, insbesondere bevorzugt wenigs ^¬ tens zwei oder mehrere Auslasskanäle, auf. Um eine bessere Verteilung der Kühlleistung entlang der Turbinenlaufschaufel zu gewährleisten, sind gemäß einer bevorzugten Ausführung die Endpunkte von wenigstens zweien dieser Kühlmittelkanäle an unterschiedlichen Radialpositionen der Turbinenlaufschaufel, insbesondere bezüglich einer Radialachse der Turbinenlauf- schaufei, angeordnet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Kühlmittelkanäle jeweils einen Auslassbereich auf, in welchem eine Mehrzahl von Auslasskanälen, insbesondere alle Auslasskanäle, von dem Kühlmittelkanal ausgehen. Der Auslassbereich ist vorzugsweise auf einen bestimmten Radialabschnitt der Turbinen ^¬ laufschaufel begrenzt. Diese Ausführung ermöglicht eine Zu- Ordnung von bestimmten Radialabschnitten der Turbinenlaufschaufel zu bestimmten Kühlmittelkanälen. Darüber kann wiederum ein Kühlluftanteil für einen bestimmten Radialabschnitt der Turbinenlaufschaufel gesteuert werden. Vorzugsweise sind die Auslassbereiche von wenigstens zweien dieser Kühlmittelkanäle an unterschiedlichen Radialpositionen der Turbinenlaufschaufel angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Kühlung (bezogen auf die Einsatzbedingungen) zu ermöglichen .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei zeigt:

Figur 1: in einer teilweise geschnittenen Schrägansicht eine

Turbinenlaufschaufel nach einer Ausführung der Er- findung; und

Figur 2: in einer teilweise geschnittenen Schrägansicht einen Ausschnitt einer Turbinenlaufschaufel nach ei ^¬ ner weiteren Ausführung der Erfindung.

In Figur 1 ist eine Turbinenlaufschaufel 1 mit einem Schau ^¬ felfuß 2 und einem Schaufelblatt 4 dargestellt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Schaufelblatt 4 zur Gewichtsreduzierung drei Hohlräume 5, die keine Verbindung zu einer Kühlmittelquelle besitzen und somit nicht vom Kühlmittel durchströmt sind. Damit dienen diese Hohlräume nicht zur Schaufelblattkühlung und sind somit ungekühlt. In einem Schaufelkörper 6 der Turbinenlaufschaufel 1 erstrecken sich daneben und ausgehend von jeweils einem Eintrittspunkt 8.1, 8.2 und 8.3 drei Kühlmittelkanäle 10. Der erste Kühlmit ^¬ telkanal 10.1 ist in der Vorderkante des Schaufelblatts ange- ordnet. Die restlichen beiden Kühlmittelkanäle 10.2 und 10.3 sind in denjenigen Rippen 7 angeordnet, die sich zwischen den ungekühlten Hohlräumen ausbilden und die Seitenwände des Schaufelblatts miteinander verbinden. Die Kühlmittelkanäle 10.1, 10.2 und 10.3 verlaufen dabei in einer zumindest im Wesentlichen radialen Richtung hin bis zu einem Endpunkt 12 des jeweiligen Kühlmittelkanals 10.

Die Kühlmittelkanäle 10.1 und 10.2 verlaufen von einem - be- züglich einer Querrichtung des Schaufelfußes 2 zentralen Eintrittspunkt - weg bis zu ihren Endpunkten 12. Der Kühlmittel ^¬ kanal 10.3 ist seitlich von der Mitte des Schaufelfußes 2 weg angeordnet, und folgt damit der Form des Schaufelblatts 4 im radial inneren Bereich des Schaufelblatts 4 an dieser Axial- position.

In einem Auslassbereich 14 jedes der Kühlkanäle 10 ist eine Mehrzahl von Auslasskanälen 16 und 18 angeordnet, wobei die Auslasskanäle 16 jeweils an einer Auslassöffnung 20 in der Außenwand 22 der Turbinenlaufschaufel münden, und damit den Kühlkanal 10 mit diesen Auslassöffnungen 20 verbinden. Die Auslasskanäle 16 münden derart auf eine Vorderseite 24 des Schaufelblattes 4, die Auslasskanäle 18 münden in nicht dar ^¬ gestellte Auslassöffnungen auf der Rückseite der Turbinen- laufschaufei 1.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Kühlmittelka ^¬ näle 8 unterschiedliche Querschnittsdurchmesser xi , X2 und X3 auf, die die Bereitstellung unterschiedlicher Kühlluftströme ermöglichen.

Zur Kühlung der Turbinenlaufschaufel 1, die im Betrieb an ih ^¬ rem Schaufelfuß im Turbinenrotor befestigt ist und (in der Darstellung) im Wesentlichen von links nach rechts durch ein heißes und druckbeaufschlagtes Arbeitsmedium angeströmt wird, wird Kühlluft in die Kühlmittelkanäle 10 eingeleitet, das dann in den Auslassbereichen 14 in die einzelnen Auslasskanä- le 16 und 18 verteilt und an den Auslassöffnungen 20 aus ^¬ tritt. Hier kann die Kühlluft punktuell die Umgebung der Aus ^¬ lassöffnungen kühlen, indem die verhältnismäßig kalte

Kühlluft die verhältnismäßig heiße Außenwand 24 der Turbinen ^¬ laufschaufel kühlt.

Bei einer geeigneten Anordnung einer ausreichenden Menge von Auslassöffnungen 20 auf der Außenwand des Schaufelblatts 4 kann auch eine Filmkühlung realisiert werden, bei welcher die aus den Auslassöffnungen 20 ausströmende Luft einen "Film" auf der Vorderseite 22 und/oder der Rückseite des Schaufel ^¬ blatts 4 ausbildet und damit einen direkten Kontakt zwischen der Außenwand 24 und dem vorbeiströmenden, heißen Arbeits- fluid verhindert oder zumindest minimiert. In Fig. 2 ist eine Turbinenlaufschaufel 1 dargestellt, bei welcher mittels zwei exemplarisch eingezeichneten Kühlmittelkanälen 10.1 und 10.2 dargestellt wird, wie unterschiedliche Bereiche bezüglich der Radialachse R der Turbinenlaufschaufel 1 durch unterschiedliche Kühlmittelkanäle mit Kühlluft ver- sorgt werden können.

Der Kühlmittelkanal 10.1 erstreckt sich von seinem Eintritts ^¬ punkt 8.1 hin bis zu seinem Endpunkt 12.1 (an der Radialposi ^¬ tion des Endpunkts 12.1 ist die Darstellung des Schaufel- blatts 4 geschnitten) . Der Kühlkanal 10.2 ist in Strömungs ^¬ richtung des Arbeitsfluids S leicht versetzt zu dem Kühlmit ^¬ telkanal 10.1 angeordnet.

Der Kühlmittelkanal 10.2 ist kürzer ausgebildet, so dass der Abstand zwischen dem Endpunkt 12.2 und dem Eintrittspunkt 8.2 kleiner ist als der Abstand zwischen dem Endpunkt 12.1 und dem Eintrittspunkt 8.1. Beide Kühlkanäle weisen einen Aus ^¬ lassbereich 14 auf, wobei der Auslassbereich 14.1 des ersten Kühlkanals 10.1 an einer Radialposition angeordnet ist, die weiter außen ist als die Radialposition des Auslassbereichs 14.2 des zweiten Kühlmittelkanals 10.2. Damit sind die Auslassöffnungen 20.1, an denen durch die Verbindung mit dem Kühlkanal 10.1 mittels der Auslasskanäle 16.1 Kühlluft in Pfeilrichtung ausströmen kann, radial weiter außen angeordnet als die Auslassöffnungen 20.2 des zweiten Kühlkanals 10.2.

Wenn man davon ausgeht, dass der Abstand in S-Richtung zwischen den Kühlkanälen 10.1 und 10.2 nur aufgrund der besseren Darstellung überzeichnet ist, wird ersichtlich, dass mit ei ^¬ ner derartigen Anordnung ein verhältnismäßig großer Anteil der Vorderseite des Schaufelblatts 4 mit einer Filmkühlung überzogen werden kann, wenn der Abstand zwischen den einzelnen Auslassöffnungen 20 klein genug gewählt ist.

Der Kühlmechanismus gemäß dieser Ausführung ist aufgrund der Möglichkeit, sowohl die Kühlmittelkanäle 10 als auch die Aus ^¬ lasskanäle 16 und 18 gerade auszubilden - und damit als Boh ^¬ rungen zu fertigen - fertigungstechnisch verhältnismäßig einfach und damit günstig herzustellen.