KURT NIHAL (DE)
WO2015034717A1 | 2015-03-12 |
EP2921649A1 | 2015-09-23 | |||
SU364747A1 | 1972-12-28 | |||
DE19801804A1 | 1999-07-22 | |||
EP2927428A1 | 2015-10-07 | |||
EP1561901B1 | 2015-06-24 | |||
EP2107214A1 | 2009-10-07 | |||
US5207556A | 1993-05-04 |
Patentansprüche 1. Turbinenschaufel (10) für eine thermische Strömungsma¬ schine, mit einem von einem Heißgas umströmbaren Schaufelblatt (20) umfassend eine saugseitige Seitenwand (22) und ei¬ ne druckseitige Seitenwand (24), die in Hauptströmungs¬ richtung des Heißgases betrachtet sich von einer ge¬ meinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante (16) und in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsrichtung betrachtet sich von einem ersten Ende (32) des Schaufelblatts (20) zu einem diesen gegenüberliegendem zweiten Ende des Schaufelblatts (20) mit einer Länge erstrecken, wobei das Schaufelblatt (20) zumindest an einem seiner beiden Enden (32) einen Zugang (30) zu einem im Schaufelblattinneren angeordneten Hohlraum (28) aufweist, in welchem ein durch den Zugang (30) eingesetzter Körper (34, 36, 50) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (34, 36, 50) in Längsrichtung betrachtet signifikant kürzer ist als die Länge des Schaufel¬ blatts .. 2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, bei der der Körper (34, 36, 50) ausgehend von einem der beiden Enden des Schaufelblatts (20) sich in den Hohlraum (28) hinein erstreckt. 3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Körper (34, 36, 50) als Prallkühlkörper (36) ausgestaltet ist. 4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Prallkühlkörper (36) ein dem Zugang gegenüberliegendes weiteres Ende (46) aufweist, welches prallkühlöffnungsfrei ist. 5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Körper (34, 36, 50) einen Hohlraum (28) aufweist . 6. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 3 und 5, bei der der Prallkühlkörper (36) an seinem am Zugang angeordnetem Ende eine Drosselvorrichtung zur Dosierung eines in den Hohlraum (28) des Prallkühlkörpers (36) strömbaren Kühlmediums aufweist. 7. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Prallkühlkörper (36) ein dem Zugang gegenüberliegendes weiteres Ende (46) aufweist, welches in Längsrichtung frei beweglich gelagert ist. 8. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Körper (34, 36, 50) sich über 30 % der Länge des Schaufelblatts (20) erstreckt. |
Turbinenschaufel für eine thermische Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine thermi ¬ sche Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine dem Oberbegriff von Anspruch 1 entsprechende Turbinen- schaufei ist beispielsweise aus der EP 1 561 901 Bl bekannt. Gemäß der bekannten Turbinenschaufel ist ein in das Schaufel ¬ blatt eingesetztes Dämpfungselement vorgesehen, welches sich stromauf der Hinterkante angeordnet durch den dort vorhande ¬ nen Hohlraum erstreckt und seitlich an den Innenflächen der Saugseitenwand und Druckseitenwand anliegt. Im Falle von auf ¬ tretenden Schaufelblattschwingungen soll das eingesetzte Bauteil sich an den Innenflächen des Schaufelblatts schwingungs- dämpfend reiben. Zur Erreichung einer bestmöglichen Dämpfung erstreckt sich das eingesetzte Bauteil über die gesamte
Schaufelblatthöhe.
Weiter ist aus der EP 2 107 214 AI eine Leitschaufel der eingangs genannten Art bekannt, in der ein Prallkühlelement zur Kühlung des Schaufelblatts eingesetzt ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine gleichmäßige Kühlung des Schaufel ¬ blatts nicht immer zwingend erforderlich ist. Aus diesem Grunde besteht das Bedürfnis nach der Bereitstellung einer Turbinenschaufel, bei der das Schaufelblatt lokal individuell kühlbar ist.
Daneben ist aus der US 5,207,556 eine Turbinenschaufel be ¬ kannt, deren Prallkühleinsatz nicht ganz bis zum radial inneren Ende des Schaufelblatts reicht, sondern kurz vorher en ¬ det .
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel, mit der eine unterschiedlich starke Kühlung des Schaufelblatts an unterschiedlichen Stellen ermöglicht wird .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschau- fei gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, dass der im Schaufel ¬ blatt angeordnet Körper sich nicht über die gesamte Länge des Schaufelblatts, sondern sich lediglich über einen Teil der Schaufelblattlänge erstreckt, das heißt, signifikant kürzer ist als die in Radialrichtung erfassbare Längserstreckung des Schaufelblatts. Signifikant kürzer als das Schaufelblatt ist beispielsweise ein Körper, dessen Länge weniger als 75% der Schaufelblattlänge beträgt. Dieser Körper, welcher vorzugs- weise entweder als Verdrängungskörper für ein im Inneren des Schaufelblatts strömendes Kühlfluid oder als Prallkühlkörper ausgestaltet sein kann, ermöglicht dadurch in demjenigen Abschnitt des Schaufelblatts, an dem er vorhanden ist, eine er ¬ höhte Kühlung im Vergleich zu demjenigen Abschnitt des Schau- felblatts, der sozusagen körperfrei ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntniss, dass bei einigen Turbinenschaufeln und insbesondere bei Turbinenleitschaufein plattformnahe Bereiche des Schaufelblatts einen erhöhten Kühlbedarf aufweisen können, gleichwohl die Temperatur im Heißgas auf halber Höhe des Schaufelblatts prinzipiell die höchsten sind. Derartige Situationen können beispielsweise dann auftreten, wenn eine mit einer keramischen Wärmedämmschicht versehene Turbinenschaufel dort lokale Verschleißer- scheinung aufweist. In einem solchen Fall ist es dann von Vorteil, wenn der besagte Körper lediglich in dem besagten plattformnahen Bereich vorgesehen ist und dort den Verschleiß kompensiert. Bei Leitschaufeln axial durchströmter thermischer Strömungsmaschinen können derartige Schaufelblatt- Bereiche an der radial äußeren Plattform angrenzen. In radial weiter innen liegenden Bereichen des Schaufelblatts ist dann die Verwendung eines Verdrängungskörpers bzw. einer Prallkühlung nicht zwingend erforderlich, so dass hier auf die Anwe- senheit eines entsprechenden Körpers verzichtet werden kann. Hierdurch lässt sich einerseits ein quasi verkürzter Körper bereitstellen, dessen Fertigung vereinfacht ist und andererseits geringere Herstellungskosten verursacht. Auch wird das Gewicht einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel verringert im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Turbinenschaufel .
Durch die lokal verbesserte Kühlung kann die lokale Lebens- dauer des Seitenwand-Materials verlängert werden, da die Tur ¬ binenschaufel an den besagten Stellen nunmehr hinreichend ge ¬ kühlt wird. Dies gilt selbst für den Fall, dass an der Turbi ¬ nenschaufel - warum auch immer - eine auf der Seitenwand au ¬ ßen vorhandene keramische Schutzschicht in ihrer Stärke ab- nimmt. Dabei ist es selbstverständlich, dass, sofern der Körper als Prallkühlkörper ausgeführt ist, das Muster und die Dichte an Prallkühlöffnungen entsprechend der lokalen Forderung weiter individuell angepasst sein können. Weiterer Vorteil ist, dass bereits betriebsbeanspruchte Tur ¬ binenschaufeln, die beispielsweise an den äußeren Durchmessern eine erhöhte Kühlung aufgrund eines Verschleißes der ke ¬ ramischen Schutzschicht benötigen, durch den nachträglichen Einbau eines verkürzten Prallkühlkörpers für eine Weiterbe- nutzung ertüchtigt werden können. Damit wird die Lebensdauer der bereits betriebsbeanspruchten Turbinenschaufel verlängert. Letzteres gilt ebenso für Turbinenschaufeln, die in Turbinen mit erhöhten Heißgastemperaturen weiter verwendet werden sollen, unabhängig davon, ob sie beschichtet sind oder nicht.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in den ab ¬ hängigen Ansprüchen angegeben, wobei deren Merkmale untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden können.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Körper ausgehend von einem der beiden Enden des Schaufelblatts in den Hohlraum hinein. Damit ist der im Vergleich zum Stand der Technik in seiner Länge verkürzte Körper nicht mit ¬ tig zwischen den beiden Enden des Schaufelblatts angeordnet, sondern einseitig zu einen der beiden Enden hin verschoben. Insbesondere damit lässt sich eine Turbinenschaufel bereit- stellen, die am radial inneren Ende oder am radial äußeren
Ende (bei axial durchströmten Strömungsmaschinen) dort bevorzugt gekühlt werden kann.
Für den Fall, dass der Körper als Prallkühlkörper ausgestal- tet ist, ist es bevorzugt, wenn der Prallkühlkörper ein im Bereich des Zugangs des Schaufelblatts liegendes Ende auf ¬ weist, an dem eine Drosselvorrichtung zur Dosierung eines in den Hohlraum des Prallkühlkörpers einströmbaren Kühlfluids vorgesehen ist. Damit kann die Menge der zur Prallkühlung ge- nutzten Kühlfluids in vorteilhafter Weise bereits mit der
Herstellung des Prallkühlkörpers eingestellt werden, um einen unnötig hohen Verbrauch an Kühlfluid zu vermeiden.
Weiter bevorzugt ist der Prallkühlkörper an einem weiteren dem Zugang gegenüberliegenden Ende in seiner Längsrichtung frei beweglich. Darunter wird verstanden, dass der Körper, bezogen auf seine Längserstreckung, sich zwar seitlich punktuell an den Innenflächen der Seitenwände abstützen kann, jedoch an seiner kopfseitigen Fläche, die dem anderen Ende des Schaufelblatts zugewandt ist, kontaktfrei ist. Damit kann sich der Körper entlang seiner Längsrichtung frei ausdehnen, ohne dass es zu Druckspannungen im Material des Körpers kommt, wenn dieser sich aufgrund von thermischen Einflüssen oder Fliehkraft dehnt.
Weiter bevorzugt erstreckt sich der Körper über etwa 30 % der Länge des Schaufelblatts. Gemäß einer alternativen Ausgestal ¬ tung kann der Körper auch als ein Verdrängungskörper im Hohlraum des Schaufelblatts angeordnet sein, um ein im Hohlraum strömendes Kühlfluid aus dem Zentrum des Hohlraums hin zu den Innenflächen der Seitenwände zu verdrängen. Die damit einhergehende Querschnittsverjüngung des durchströmbaren Hohlraums führt zu einer beschleunigten Durchströmung des Hohlraums - verglichen mit einem verdrängungskörperfreien Hohlraum -, was einen erhöhten Wärmeaustausch zwischen Seitenwand und Kühl- fluid zur Folge hat. Auch damit kann die Kühlwirkung des Kühlfluids verbessert werden.
Weiter bevorzugt ist der Verdrängungskörper als Hohlkörper ausgestaltet, um Material und Gewicht einzusparen.
Zweckmäßiger Weise kann die Turbinenschaufel sowohl als Leit ¬ schaufel als auch als Laufschaufel einer Turbine ausgestaltet sein .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden nachfolgend mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren näher erläu ¬ tert. Hierbei sind die Figuren lediglich schematisch dargestellt, wodurch insbesondere keine Einschränkung der Ausführbarkeit der Erfindung die Folge ist. Es zeigen:
Figur 1 in perspektivischer Darstellung einen Längsteilschnitt durch eine als Leitschaufel ausgestaltete Turbinenschaufel mit einem darin eingesetzten
Prallkühlkörper,
Figur 2 der Prallkühlkörper aus Figur 1 in perspektivischer
Darstellung und
Figur 3 ein Verdrängungskörper in perspektivischer Darstellung .
In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 umfasst entlang einer gedachten Längsachse 12 aufeinander- folgend einen Befestigungsabschnitt 14, eine Plattform 16 so ¬ wie ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 20. Das Schau ¬ felblatt 20 umfasst zwei Seitenwände 22, 24, von denen die erste saugseitig (22) und die zweite druckseitig (24) ange- ordnet ist. Die Seitenwände 22, 24 erstrecken sich von einer gemeinsamen in Figur 1 nicht dargestellten Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante 26. Das Schaufelblatt 20 ist - wie die Lage der Schnittebene es verdeutlicht - hohl ausge ¬ bildet, wobei der Hohlraum mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Dieser Hohlraum 28 weist zumindest einen Zugang 30 auf. Der Zugang 30 liegt an dem einen der beiden Enden 32 des Schaufelblatts 20.
Von den beiden Enden des Schaufelblatts ist lediglich ein En- de in Figur 1 dargestellt, wobei eine Länge des Schaufel ¬ blatts als Abstand zwischen den beiden Enden erfassbar ist.
Im Betrieb einer die Turbinenschaufel 10 aufweisenden thermi ¬ schen Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine, wird das Schaufelblatt 20 von einem Heißgas umströmt. Dabei wird das Schaufelblatt 20 an seiner nicht dargestellten Vor ¬ derkante von Heißgas angeströmt. Dieses teilt sich dann druckseitig so wie saugseitig auf, umströmt somit das Schau ¬ felblatt 20 und verlässt die Turbinenschaufel 10 an der Hin- terkante 26. Diese Richtung des Heißgases wird als Hauptströ ¬ mungsrichtung bezeichnet. Im Wesentlichen senkrecht zur
Hauptströmungsrichtung erstreckt sich die gedachte Längsachse 12. Wenn die Turbinenschaufel 10 als Leitschaufel ausgestaltet ist, weist das Schaufelblatt 20 zumeist an beiden seiner En ¬ den 32 eine sich quer dazu erstreckende Plattform 16 auf. Bei Laufschaufeln mit so genannten Deckbändern gilt dies ebenso. Allein freistehende Turbinenschaufeln weisen lediglich an ei- nem ihrer beiden Schaufelblatt-Enden eine Plattform auf, wobei in einer Turbine freistehende Leitschaufel eher untypisch und freistehende eher Laufschaufeln gängig sind. Bezogen auf die Einbaulage in einer beispielweise axial durchströmbaren Gasturbine spricht man in der Regel von einer inneren Platt ¬ form und einer äußeren Plattform, bezogen auf die Maschinenachse der Gasturbine. Dann steht auch die Längsachse 12 senk ¬ recht auf der Maschinenachse. Im hier dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel ist die Plattform 16 radial außen angeordnet.
Im Hohlraum 28 befindet sich ein Körper 34. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Körper 34 als Prallkühlkörper 36 ausgestaltet mit einer im Wesentlichen quaderförmigen Gestalt und mit vergleichsweise dünnen Wänden 37. Eine dieser Wände stellt ein einströmseitiges Körperende 40 dar, dem ein weite ¬ res Körperende 46 gegenüberliegt. Weiter sind diejenigen Wän ¬ de des Prallkühlkörpers, die den Innenflächen der Seitenwände 22, 24 gegenüberliegen, mit Prallkühlöffnungen 38 versehen, wobei diese in einem gleichmäßigen Muster verteilt sind. Je nach lokalem Kühlbedürfnis kann aber auch von dem gleichmäßigen Verteilungsmuster abgewichen werden.
Die einströmseitige Wand des Prallkühlkörpers 36 wird durch ein mit Öffnungen 44 versehenes Abdeckblech 42 gebildet. Die Öffnungen 44 sind wesentlich größer als die Prallkühlöffnungen 38. Das Abdeckblech 42 ist Teil des Prallkühlkörpers und mit den den Innenflächen der Seitenwände 22, 24 gegenüberlie ¬ genden Wänden 37 fest verbunden. Das Abdeckblech 42 dient ei- nerseits zur konventionellen Befestigung des Prallkühlkörpers 36 an der restlichen Turbinenschaufel 10, welche auch als Schaufelgrundkörper bezeichnet werden kann. Dieser Schaufelgrundkörper ist in der Regel ein Gießprodukt. Andererseits dienen das Abdeckblech 42 und insbesondere dessen Öffnungen 44 zur Dosierung der Menge des in den Hohlraum des Prallkühlkörpers 36 einströmenden Kühlfluids.
Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind am weiteren Ende 46 des Körpers 34 keine Prallkühlöffnungen vorgesehen. Zudem ist es in Längsrichtung frei beweglich.
An den Innenflächen der Seitenwände 22, 24 können
Turbulatoren 48 vorgesehen sein, sind aber nicht zwingend notwendig. Auch können die vom Heißgas überströmbaren Flächen der Seitenwände 22, 24 und auch die der Plattformen 16 durch eine keramische Schicht bzw. ein Schichtsystem vor den Einflüssen des Heißgases geschützt sein.
Mit Hilfe der vorgenannten Turbinenschaufel 10 kann eine lo ¬ kal verbesserte Kühlung erreicht werden, was insbesondere als Nachrüstlösung für bereits beanspruchte Turbinenschaufeln 10 von Vorteil ist. Somit lassen sich diese weiter Verwenden, wenn nach einer Umrüstung der Gasturbine diese mit höheren
Verbrennungstemperaturen betrieben werden soll oder wenn das Material des gegossenen Schaufelgrundkörpers höheren Tempera ¬ turen bisher standhalten musste als diejenigen Temperaturen, die im Entwurfsstadium der Turbinenschaufel abgeschätzt wur- den. Mithin kann Lebensdauer der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel verlängert werden, ohne dass deren Schaufelgrundkörper umkonstruiert werden muss. Dies spart Entwicklungskosten ein . Selbstverständlich ist es möglich, dass die Turbinenschaufel 10 nicht nur einen dieser erfindungsgemäßen Körper 34 aufweist. Selbstverständlich sind auch derartige Lösungen denkbar, bei denen an beiden Enden 30 des Schaufelblatts 20 derartig kurze Körper 34 eingesetzt werden, so dass deren weite- re Enden 46 einander spaltbildend gegenüberliegen. Auch ist es möglich, dass das Schaufelblatt 20 nicht nur einen einzi ¬ gen Hohlraum 28 aufweist, sondern mehrere, von denen einige oder alle Hohlräume 28 mit einem verkürzten oder gar stummel ¬ artigen Körper 34 ausgestattet sind, verglichen mit der Länge des Schaufelblatts 20.
Die Figur 2 zeigt den in Figur 1 dargestellten Prallkühlkörper 36 in einer perspektivischen Darstellung, jedoch ohne den ihn ansonsten umgebenden Schaufelgrundkörper.
In Figur 3 ist ein Verdrängungskörper 50 gezeigt, der anstelle des aus der Figur 1 bekannten Prallkühlkörpers 36 in der Turbinenschaufel 10 eingesetzt sein kann. Im Unterschied zum Prallkühlkörper 36 weist der Verdrängungskörper keine Öffnungen auf. Stattdessen ist dessen Abdeckblech 51 vorzugsweise mit Ausklinkungen 52 versehen, um vom Befestigungsbereich der Turbinenschaufel 10 her das Einströmen von Kühlluft in einen zwischen dem Verdrängungskörper 50 und den Innenflächen der Seitenwände 22, 24 des Schaufelblatts 20 angeordneten Zwi ¬ schenraums zu ermöglichen. Zur Gewichtsreduzierung ist der Verdrängungskörper als vergleichsweise dünnwandige Blechkon ¬ struktion ausgeführt und somit im Inneren hohl.
Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenschaufel 10 für eine thermische Strömungsmaschine, mit einem von einem
Heißgas umströmbaren Schaufelblatt 20 umfassend eine saugsei- tige Seitenwand 22 und eine druckseitige Seitenwand 24, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante 16 und in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsrichtung mit einer Länge sich von einem ers- ten Ende 32 des Schaufelblatts 20 zu einem zweiten Ende des Schaufelblatts erstrecken, wobei das Schaufelblatt 20 zumin ¬ dest an einem seiner beiden Enden 32 einen Zugang 30 zu einem im Schaufelblattinneren angeordneten Hohlraum 28 aufweist, in welchem ein durch den Zugang 30 eingesetzter Körper 34, 50 angeordnet ist. Um insbesondere die Lebensdauer einer bereits betriebsbeanspruchten Turbinenschaufel 10 zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die besonders heißen Temperaturen ausgesetzte Bestandteile des Schaufelblatts 20 durch die Verwen ¬ dung eines Körpers 34, 36, 50 im Inneren des Schaufelblatts 20 gekühlt werden, welcher sich dadurch kennzeichnet, dass dieser sich lediglich über einen Teil der Länge des Schaufelblatts 20 erstreckt.
Next Patent: EMULSION CONCENTRATES OF LIPOPHILIC COMPOUNDS