EP1101901A1 - Turbinenschaufel sowie Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel - Google Patents
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- EP1101901A1 EP1101901A1 EP99122757A EP99122757A EP1101901A1 EP 1101901 A1 EP1101901 A1 EP 1101901A1 EP 99122757 A EP99122757 A EP 99122757A EP 99122757 A EP99122757 A EP 99122757A EP 1101901 A1 EP1101901 A1 EP 1101901A1
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- 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
- F01D5/187—Convection cooling
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- 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
- F05D2260/00—Function
- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
- F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
- F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam
Definitions
- the invention relates to a turbine blade, in particular Gas turbine blade, which is one of a hot action fluid flowed outside wall, which may have a multi-part Surrounding cavity, which is flowed through by a cooling fluid is, the outer wall over the circumference of the airfoil area in a cross section through the airfoil area the turbine blade is of different thickness, and a method for the production of a cast turbine blade, in particular gas turbine blade, according to the generic term of Claim 27.
- Action fluid heated to a high temperature a hot gas, operated turbine, especially a gas turbine
- the ones from are called action fluid, first flow guide and rotor blades are therefore used internally to avoid damage cooled, in particular by means of a cooling fluid flowing through it, for example a cooling gas or a slightly overheated one Cooling steam.
- U.S. Patent 5,320,483 discloses how the cooling fluid is in the form of Cooling steam in a closed circuit in the turbine blade is initiated and after flowing through with various flow chambers and inner walls, internal cavity of the turbine blade again is brought out.
- the cavity is from the outside wall of the Turbine blade surrounded by the hot action fluid of the Turbine is flowing.
- the outer wall essentially has one constant thickness by considering a cross section through the airfoil area.
- the object of the present invention is an internally cooled Specify turbine blade with the above characteristics, which has an extended service life compared to conventional turbine blades even under very high loads, with low Manufacturing effort is high, as well as high in a turbine Performance and efficiency levels with low NOx emissions enabled and - as a sub-task - a suitable one Production method.
- the task directed at the turbine blade becomes thereby solved that the thickness of the outer wall at least over a Partial circumference of the airfoil area in accordance with the course the external heat transfer coefficient on the outside of the Outer wall and the course of the internal heat transfer coefficient the inside of the outer wall is continuous so that predetermined temperature threshold values on the outer wall and / or predetermined temperature gradients between predetermined ones Places on the outer wall must not be exceeded.
- the outer wall of the turbine blade is exposed to the hot action fluid not flowed around equally fast and equally strong everywhere, resulting in locally very different heat inputs or heat transfer leads action fluid / outer wall.
- the external heat transfer coefficient is a measure of this heat transfer.
- a heat transfer coefficient indicates the amount of heat which passes per unit of time and area. The higher the heat transfer coefficient, the greater the heat transfer, for example by convection or radiation in the material brought in warmth. With an increased external heat transfer the cooling requirement increases at this point on the airfoil.
- the heat transfer includes the one hand Heat transfer from the hot action fluid to the outside of the Outer wall and from the inside of the outer wall to the cooling fluid. Furthermore, the heat conduction in the system of equations described inside the outer wall. A thinner outer wall increases heat conduction. As boundary conditions for the solution of the system of equations are the temperature threshold values, the temperature gradients are set.
- the temperature threshold corresponds to the Rule of an oxidation limit of the outer wall material, the temperature gradient is a measure of due to different Temperatures between two places on the outer wall thermal stresses. To ensure a long service life the turbine blade may have a critical value that of the material, the composition of all involved Voltages and depends on the operating load spectrum, not exceed.
- the local can increased cooling requirements in places with high external heat transfer coefficients be met in a simple manner.
- the Outer wall can be made even thicker, which is stability elevated. Due to the adjustment of the outer wall thickness achieved, individually adapted cooling effect can be complicated trained channels inside the cavity become. This simplifies the manufacture of the turbine blade and lowers costs.
- the required Cooling fluid mass flow reduced by the adapted cooling which improves the efficiency and performance of the turbine.
- the outer wall has a multilayer structure is and a thin ceramic on the outside wall Protective layer and inside has a metal wall and that one The temperature gradient between the Outside and the inside of the metal wall.
- the multilayer structure can the outer wall with a suitable Choice of layers of different tasks and requirements fulfill.
- the metal wall especially from a high-temperature resistant Metal alloy, ensures in addition to sufficient mechanical strength and good thermal elasticity what due to the changing mechanical loads and temperatures necessary is.
- a ceramic protective layer protects the metal wall from excessive temperature loads or prevented an oxidation or corrosion.
- the protective layer should among other things, prevent that by the inflow through the hot action fluid on the bucket outer wall caused highest temperature a material-specific maximum value exceeds, or an emerging temperature gradient between the outside of the outside wall and the inside the outer wall exceeds a certain critical value.
- Usual high-performance blades are sufficient thick ceramic protective layers are instructed for thermal insulation, so that temperature and voltage limits can be maintained.
- the heat transfer coefficient is set and the temperature threshold and the temperature gradient between the Outside and inside of the metal wall predetermined Do not exceed values.
- These values are according to the corresponding ones Requirements of the protective layer or the boundary layer designed between protective layer and metal wall. So that's enough it, a very compared to usual protective layer thicknesses apply a much thinner protective layer to the metal wall.
- the thinner formation of the layer also improves the Adhesion of the protective layer on the blade surface and prevents a local chipping because the different thermal expansion of the materials due to the thin layer thickness no longer have such an impact.
- this thin layer is much easier to apply, among other things because they have lower requirements with regard to homogeneity. This reduces the manufacturing costs and at the same time increases the service life the shovel.
- the temperature threshold on the entire outer wall and / or predetermined temperature gradients over the entire Outer wall not be exceeded are particularly good conditions for a low thermal or voltage Given a load on a turbine blade. This is special important for coated turbine blades.
- the thickness of the outer wall according to the invention good adhesion of the ceramic protective layer to the metal wall guaranteed without further manufacturing Measures would have to be taken or the hot gas temperature would have to be reduced, which would reduce the efficiency.
- the outer wall has one layer and is made of metal.
- the metal is also with relatively high temperatures still stable and conducts at the same time the heat well, so that the cooling inside and the adapted thicknesses of the outer wall the temperature threshold values and the temperature gradients can be maintained.
- the ribs of the field according to the thickness of the Outer wall, the temperature threshold and / or the temperature gradient and / or that predetermined by Mises reference voltage Have dimensions, distances and spatial arrangements.
- An optimal combination of parameters enables wide areas compliance with the temperature target values, so that a homogeneous loading of the material and an even Material utilization can be achieved.
- the primary voltage is limited by the attached ones rib panels depending on the wall thickness on the inside the outer wall.
- the Turbulence of the cooling fluid increases, which improves the cooling effect, without using additional turbulators ought to. Due to the transverse to the flow direction of the cooling fluid arranged rib fields is just in the areas with thinner wall thickness where there is a higher internal heat transfer coefficient is required, a desired higher cooling effect is achieved. In order to achieve the desired swirl, it is important to that the ribs are neither too narrow nor too far apart be arranged, because otherwise they are not sufficient Turbulence or insufficient stability achieved become.
- the cooling fluid is added flowing through the interior more turbulent. This improves again the cooling effect.
- the openings are designed that they do not affect the stability of the ribs.
- the cavity from the pressure side to Suction side in the longitudinal direction of the turbine blade from the inner walls is crossed, the inner walls to the pressure side or suction-side outer wall with a continuous course connected the continuous course of the thickness of the outer wall are.
- the cavity from the Pressure side to the suction side ensures that the stability the turbine blade is preserved or improved becomes.
- the cavity is divided into several chambers. The shape and number of interior walls used for this is selected depending on the type of cooling and cooling fluid properties, that the simplest possible construction of the cavity results. This means that an inexpensive, conventional one Investment casting technology can be applied.
- the inner walls to the pressure-side or suction-side outer wall under continuous Course on the continuous course of the thickness are connected to the outer wall, voltage peaks in the outer wall are reduced.
- the inner walls reinforce the Outside wall areas and thus absorb tensions caused by a changing thickness, and different temperatures in the outer wall and thus different heat transport arise. It also takes into account that everywhere an optimal speed level of the cooling fluid and thus gives an optimal internal heat transfer coefficient. Due to the division of the cavity, only a small number occur Pressure losses. It is therefore a high proportion of energy recoverable from the heated cooling fluid.
- the efficiency of the turbine is hardly affected by the cooling fluid or only minimally reduced if the cooling fluid in one closed circuit through the turbine blade becomes.
- Leadership in a cycle can also be more Turbine blades include, which also saves cooling fluid becomes.
- the fact that no cooling mixture by in the cooling fluid escaping, the fluid remains Efficiency and thus the performance of the turbine preserved. It no cooling fluid is consumed, which reduces the operating costs of the Turbine lowers.
- the cooling fluid inside the turbine blade Most of the heat absorbed can be reused. This improves energy utilization and increases the Efficiency.
- An advantageous spatial arrangement of the cavity of the turbine blade is supported by the fact that the inlet and the outlet of the cooling fluid are arranged in the foot area. From The cooling fluid is then in the different area other cooling areas. The foot area is for supply lines of the cooling fluid more easily accessible.
- the cooling fluid is used economically if that the head and foot area of the turbine blade at the same time is cooled with the cooling fluid of the airfoil region. This is the structure of the head, foot and shovel area and especially the transitions between areas simplified.
- the turbine blade is a moving blade is and the wall thickness of cooling chambers in the cavity as required a local heat transfer coefficient varies locally.
- the rotary motion of the blade will cool the fluid in some areas of the cooling chambers against the inner walls or pressed against the outer walls. This causes one inhomogeneous internal heat transfer coefficients.
- This is changed by changing the wall thickness of the inner walls or the outer wall balanced according to the invention. Through the Adjusting the wall thickness is only the absolutely necessary Used amount of material and at the same time a more adapted Coolant consumption reached. This will increase efficiency the turbine increased and at the same time one in all areas the Scahuefl ensures adequate cooling.
- Central cooling chambers formed by inner walls are provided are flowed through by the cooling fluid.
- the Middle cooling channels are located in the one with the most through areas of the turbine blade exposed to high heat input. They therefore carry a large proportion of the heat input in itself.
- the serial flow ensures a long, meandering path of the cooling fluid through the turbine blade and thus a good use of the heat capacity of the cooling fluid.
- the cooling fluid is in particular at deflection points strongly swirled and thus improves the cooling effect. The amount of cooling fluid required is reduced.
- the flow rate of the cooling fluid just before the impact on the outer wall is raised if at least one of the Central cooling chambers an impingement cooling insert with outward-facing Impingement bores, which are at a distance of arranged on the inside of the outer wall and that of the cooling fluid are flowed through. Due to the increased flow rate of the cooling fluid hitting the inside of the outer wall the cooling effect is significantly improved. This is it possible, also using a coolant with low pressure achieve a good cooling effect without going through the outer wall to stress high primary voltages due to the internal pressure.
- a simple, safe and inexpensive way of holding of the impact cooling insert is given when the impact cooling insert from on the inside of the outside wall and / or from on the inside wall and / or spacers mounted on ribs is held.
- a further improvement of the cooling is given by that additional cooling at the rear edge of the turbine blade is available. This is particularly advantageous because there External walls converge more closely and thus connect to the other cooling chambers is often difficult.
- the cooling fluid is steam.
- a closed air cooling requires a lot of air and causes high pressure drops.
- steam As the cooling fluid are 1.5 to three times higher internal heat transfer numbers than air achievable.
- the use of steam enables thus operating the turbine with a hotter action fluid, which in turn increases efficiency.
- cooling air is introduced into the action fluid, high Efficiency losses. Maintaining the temperature of the action fluid it is possible to use cooling steam, to make the turbine blade outer wall thicker, which the Stability of the bucket increases and the demands on the Rib fields reduced. They are also solutions without rib fields possible. Cooling steam possesses air at the same time even higher heat capacity, resulting in an improved Heat removal from the turbine blade leads.
- a low pressure steam When using a low pressure steam is an embodiment of the cavity with few cooling chambers in the leaf area possible.
- This low pressure steam is characterized by a Inlet pressure of 15 bar or an inlet temperature of about 250 ° C. Due to the low pressure is the burden the outer wall is reduced by primary stresses caused by internal pressure and there will be fewer ribs to stabilize the Outside wall needed.
- the interior can be designed in this way, for example be that two cooling chambers formed by an inner wall are flowed through by cooling fluid in series.
- Impingement cooling insert which has impingement cooling holes, which from Cooling fluid flows through, and that of on the inside the outer wall and / or on the inner wall and / or on some the webs attached to the ribs is held. Because of the engagement Impact cooling bores make the cooling steam locally strong accelerates and thus increases its cooling effect. The acceleration takes place through the baffle cooling holes on the inside the outer wall, and thus increases the internal heat transfer coefficient.
- the steam has particularly good cooling properties when it is on Is medium pressure steam.
- Medium pressure steam is marked through inlet data of approximately 30 bar pressure and 350 ° C inlet temperature.
- the medium pressure steam is in modern combined cycle power plants directly available and does not have to lose energy be additionally provided.
- Vapor pressure is higher than that of low-pressure steam Heat transfer numbers and better heat transfer.
- the wall thickness is the guarantee of a constant cooling effect the turbine blade can thus be made thicker, as a result of which the Stability of the turbine blade is increased and the wall increased primary voltages due to the high pressure of the medium pressure steam withstands better.
- the cavity also exhibits Using a medium pressure cooling steam only cooling chambers on. Impact cooling inserts can be dispensed with. This simplifies it manufacture and reduce costs.
- the outer contour of the turbine blade advantageously corresponds to that Course of an aerodynamically predetermined shape, the The thickness of the outer wall towards the cavity varies.
- the shape points thus the advantage of maintaining the temperature threshold values and at the same time does not deviate from its external form from the usual profiles, so that the turbine blade in usual Turbines can be used and the already known Has flow properties.
- the sub-task related to the manufacturing process is solved in that the mold is arranged so that the profile course of the outer contour of the casting core of the difference between an aerodynamically predetermined, in particular outer Profile course of a turbine airfoil and one Function that corresponds to the course of the external Heat transfer coefficient on the outside of the outer wall of the Turbine blade and the course of the internal heat transfer coefficient on the inside of the outer wall of the turbine blade runs continuously so that at least at predetermined Setting the outer wall predetermined temperature threshold values and / or predetermined temperature gradients between predetermined places of the outer wall are not exceeded.
- the outer profile profile corresponds to this a standardized profile.
- the turbine blade 1 shows a cross section through an airfoil area 7 a low-pressure steam-cooled turbine guide vane 1 with varying outer wall thickness 34.
- the turbine blade 1 is on the outside 9 of the outer wall 4 of a hot action fluid 2, in particular a hot gas.
- a hot action fluid 2 in particular a hot gas.
- the turbine blade 1 in its inner, in general multi-part cavity 5, which from the outer wall 4th is surrounded by a cooling steam 6, namely a low-pressure cooling steam, flows through.
- the cavity 5 is in the longitudinal direction the turbine blade 1 is traversed by inner walls 20, which the blade profile in the direction from the pressure side 46 pull through to suction side 45 so that several central cooling chambers 21 arise, in this case two, the inner walls 20 to the pressure-side or suction-side outer wall 4 below continuous course to the continuous course of Thickness 34 of the outer wall 4 are connected.
- the central cooling chambers 21 have impingement cooling inserts 22, the walls of a plurality of small impingement cooling holes 23 broken are.
- the low pressure cooling steam is through the impingement cooling holes 23 pressed through and on the inside 13 of the Outer wall 4 accelerated. Because of the quick impact the inside 13 of the outer wall 4 is then uniformly intense chilled.
- the cavity has in the leading edge region 32 5 two front cooling chambers 31 through which also Cooling steam flows through and the inside 13 of the outer wall 4 is cooled. The cooling takes place here by convection.
- the outer wall 4 may have a multi-layer structure and has a metal wall 3, if necessary a ceramic protective layer 15 on the outside and an aluminum alloy layer 54 on the inside, as shown in FIG.
- the metal wall 3 has different thicknesses 8 along a cross section through the airfoil region 7.
- the thickness 8 of the metal wall 3 varies continuously, ie without jumps or continuously in order not to cause stress peaks, in accordance with the external heat transfer coefficient W ex on the outside 9 of the outer wall 4
- the thickness 33 of the ceramic protective layer 15 is approximately constant.
- the thickness 34 of the outer wall 4 thus also varies with the thickness 8 of the metal wall 3.
- the external heat transfer coefficient W ex is given by the size of the heat transfer from the hot gas 2 into the outer wall 4.
- the principle of heat transfer through the outer wall 4 is illustrated in Fig.2.
- the external heat transfer takes place with a locally different size, indicated by the external heat transfer coefficient W ex , to which the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 is adapted.
- the thickness 34 of the outer wall 4 or the thickness 8 of the metal wall 3 is also set according to the invention in accordance with the internal heat transfer coefficient W int on the inside 13 of the outer wall 4.
- the type and the physical parameters of the cooling fluid 6 have a decisive influence on the internal heat transfer coefficient W int .
- the internal heat transfer coefficient W int can also be changed by the construction of the cavity 5 on the inside 13 of the outer wall 4, for example by means of ribs 16.
- the cavity 5 has ribs 16 in the areas 14 of the outer wall 4 which are particularly thin or which are particularly strong Are subjected to loads and thus stabilized have to.
- Ribs 16 are, for example, on both inner sides 13 of the outer wall 4 with an impact cooling insert 22 provided middle cooling chamber 21 transverse to the flow 18 of the cooling fluid 6 running attached.
- the middle middle cooling chamber 21 only indicates on the inside 13 of the outer wall 4 the suction side 45 of the turbine guide vane 1 ribs 16 on the pressure side 46, however, only spacers 44, the Hold the baffle insert 22 in place.
- On some of the ribs 16 are also spacers 44 for positioning of the impact cooling insert 22 available.
- the ribs 16 have predetermined dimensions, such as the thickness 37, the height 41, their foot radius 39, their head radius 40, their load-bearing width 38 and spatial arrangements that are special are suitable for swirling the cooling fluid flow 18 contribute or a sufficient cooling surface to deliver on the inside 13 of the outer wall 4.
- a depiction can be found in Fig. 5 and 6.
- a good swirl is particularly given when the ribs 16, which in Rib fields are arranged that are transverse to the direction of flow 18 of the cooling fluid 6 are.
- the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 moves between approximately 0.6 mm to 1.0 mm in the rear edge area 36 up to approximately 2 mm in the printing area 46.
- the changes between the individual thickness ranges that are delimited by inner walls 20, have a reduction continuous transitions 10 of voltage peaks for example by means of a linear interpolation between the different target thicknesses.
- Fig. 2 shows schematically the heat transfer from an action fluid 2 to a cooling fluid 6 via an outer wall 4 and a schematic profile of the temperature T.
- the outer wall 4 of the Thickness 34 is constructed in several layers. It has an external one ceramic protective layer 15 of thickness 33, a load-bearing Metal wall 3 of thickness 8.
- aluminization layer 54 against corrosion is provided in cavity 5 and in particular on the inside 13 of the outer wall 4 .
- the coating 54 can be made very thin. Is the Coating 54 is not attached, the inside 13 of the Outer wall 4 is equal to the inside 12 of the metal wall.
- the hot action fluid 2 flowing on the outside has a temperature T that is higher than that of the outer wall 4.
- Heat transfer to the outer wall 4 takes place on the outside 9 of the ceramic protective layer 15.
- the external heat transfer is characterized by the external heat transfer coefficient W ex , the size of which indicates how much heat is transferred to the outer wall 4.
- the local heat transfer between the action fluid 2 and the outer wall 4 has different external heat transfer coefficients W ex for different outer wall sections 14 of the airfoil area 7 of the turbine blade 1 and thus different thicknesses 8 of the metal wall 3.
- the temperature profile T at the transition from the inside 35 has ceramic protective layer 15 on the outside 11 of the metal wall 3 on a discontinuity.
- the heat emerges from the outside wall 4, which is described by the internal heat transfer coefficient W int .
- the cooling fluid 6 flowing past takes the heat with it.
- the temperature curve T shows a sharp drop in this area.
- a temperature threshold value T M is defined which is characteristic of the temperature resistance of the outer wall material, inter alia for the adhesive quality of the ceramic protective layer 15 on the metal wall 3.
- T M the maximum metal temperature
- the thickness 8 of the metal wall 3 By setting the thickness 8 of the metal wall 3 according to the invention, it is achieved that at least at predetermined locations on the outer wall 4 predetermined temperature threshold values T M and / or predetermined temperature gradients ⁇ T M between the The outside 11 of the metal wall 3 and the inside 12 of the metal wall 3, that is to say predetermined locations on the outside wall 4, are not exceeded. This ensures that the outer wall 4 of the turbine blade 1 is not excessively stressed, the ceramic protective layer 15 adheres better to the metal wall 3, no oxidation occurs and thus a permanent use of the turbine blade 1 is possible.
- the predetermined temperature threshold value T M is approximately 930 ° C to 950 ° C and the predetermined temperature gradient ⁇ T M is approximately 200 to 220 ° C or at approximately 260 to 290 ° C above the metal wall thickness 8.
- FIG. 3 shows a top view of the foot region 26 of a turbine blade according to Fig.1.
- the foot region 26 has one Inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.
- Schematic is the position of the airfoil area 7 relative to Foot region 26 of the turbine blade 1 indicated.
- the cooling fluid 6 flows through the turbine blade 1 in central cooling chambers 21 with impact cooling inserts 22 and convective in front cooling chambers 31 in the leading edge area 32.
- additional cooling 56 is provided, which is preferably a separate, closed one Steam cooling is concerned.
- FIG 4 shows a side view with a flow diagram of the Cooling fluid 6.
- the inlet 27 of the cooling fluid 6 in the foot area 26 of the turbine blade 1 flows through the cooling fluid 6 the trailing edge region in a branched cooling fluid partial flow 47 36 of the turbine blade 1.
- Another branched Cooling fluid partial flow 48 flows through a front cooling chamber 31 in Leading edge area 32.
- the cooling fluid 6 passes through the head region 25 of the Turbine blade 1. Thereupon it first flows through the the front cooling chamber 31 lying on the suction side 45 and after one Redirection of the adjacent front cooling chamber on the pressure side 31 to outlet 28 in foot area 26.
- Another cooling fluid partial flow branched off from the supplied cooling fluid 6 49 flows through a first central cooling chamber 21, which has an impact cooling insert 22. After passing through the cooling fluid 6 flows serially through the head region 25 second cooling chamber 21, which also has an impact cooling insert 22 has, in the opposite direction to the first. After reaching of the foot region 26 of the turbine blade 1 various streams are brought together and through outlet 28 released from the turbine blade 1.
- the cooling fluid 6 is at the same time to flow through the airfoil area 7 and the Head 25 and foot area 26 used. It's just a only closed circuit for the cooling fluid 6 is necessary, which simplifies handling and the manufacturing costs decreased.
- the head area 25 and the foot area 26 are simpler by means of Weld or solder joints 24 on the airfoil area 7 of the turbine blade 1 attached or with end plates 17th locked. This simple type of attachment is due the simple construction of the cavity 5 possible. In the head 25 and foot area 26 can support the cooling effect of the cooling fluid 6 impingement inserts 22 are housed what is not shown.
- Fig. 5 shows schematically ribs in an enlarged section 16, which reinforce the thinned areas of the outer wall 4 are used.
- the supervision of the ribs 16 from Fig.1 takes place in the transverse direction, so that only ribs 16 transverse to Flow direction of the cooling fluid 6 are visible.
- transverse rib openings 19 of predetermined dimensions and spacing attached, as shown in Fig. 1 and Fig. 7. They serve the cross exchange and the additional swirling of the cooling fluid 6, whereby the cooling effect of the cooling fluid 6 is improved.
- This can be varied, for example the height 42 of the rib openings 19 and their distance 52 from the head 50 of the rib 16, s. Fig.6, as well as the distance 43 of the cross rib openings 19.
- Thickness 34 of the outer wall 4 When tuning the Ribbed field to the requirements based on the set Thickness 34 of the outer wall 4 can have the above dimensions, distances and spatial arrangements changed within certain limits become.
- the limits are determined on the one hand by that good cooling must be maintained, on the other hand Adequate stability in accordance with the heat transfer coefficients locally formed with a small thickness Outside wall 4 may be given. For the latter it is necessary that Arrange ribs 16 closer, on the other hand they must not be tight so that the cooling fluid 6 is not just over it flows away and may not be swirled.
- the Height 41 of the ribs 16 is approximately one to two times the outer wall thickness 34.
- the load-bearing width 38 of the ribs 16 is approximately four times the thickness 34 of the outer wall 4. In the areas of the leading edge 32 are preferably no ribs or conventional Turbulators as well as in the rear edge area 36.
- cross rib openings 19 show an exemplary arrangement of cross rib openings 19. They have an elongated oval shape. They effect a cross exchange and a swirl of the flowing past Cooling fluid 6, but arranged so spaced are that they do not affect the stability of the ribs 16, to stabilize the thin outer wall areas 14 serve.
- FIG. 7 shows a section through an airfoil area 7 of a medium-pressure-steam-cooled turbine guide vane 1 with a varying outer wall thickness 34.
- the cavity 5 surrounded by the outer wall 4 has six cooling chambers 21, two front cooling chambers 31 in the region of the leading edge 32 and a rear cooling chamber 53 in the rear edge region 36 six middle cooling chambers 21 are separated from one another by inner walls 20.
- the central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections.
- the cooling steam 6 flows through them in series according to a flow diagram shown in FIG.
- the wall thickness 8 of the metal wall 3 varies over the circumference from approximately 1 to 2.2 mm, according to the same principle as already described for the low-pressure steam-cooled turbine guide vane, ie to compensate for the heat transfer coefficients W ex , W int that change over the cross section of the airfoil 7.
- the transitions between areas 14 of different wall thicknesses 8 are each continuous, corresponding to areas 10, that is to say continuous, preferably linear or interpolated by means of other functions.
- the turbine blade 1 has rib fields on the entire inside 13 of the outer wall 4, with the exception of the trailing edge region 36, which serve to support the thinned outer wall 4.
- the medium pressure steam is almost twice as large as the low pressure steam (approximately 30 bar compared to approximately 15 bar).
- the internal pressure load on the outer wall 4 is much stronger and additional rib fields are required.
- the medium-pressure steam ensures improved heat dissipation and thus more favorable internal heat transfer coefficients W int .
- the ribs 16 again have predetermined distances and dimensions and are equipped with cross-flow openings 19.
- the ribs 16 are essentially transverse to the flow direction 18, which is parallel to the radial axis of the airfoil 7.
- the cooling mass flow can be adjusted by adding or omitting flow resistances 51, which are only indicated schematically in FIG. 4, in such a way that a desired cooling flow and an internal heat transfer or heat transfer coefficient W int occurs, which is adapted to the varying wall thickness 34 of the outer wall 4 is.
- FIG. 8 shows a top view of a foot region 26 of a medium-pressure steam-cooled Turbine blade from Figure 7 with a Inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.
- FIG. 9 shows a longitudinal section of a medium-pressure steam-cooled Turbine blade according to Figure 7 with a foot 26, one Airfoil 7 and a head region 25 and a flow diagram of the medium pressure cooling steam.
- the middle cooling chambers 21 are serial and the front 31 and the rear cooling chamber partially flows in parallel from the cooling fluid 6.
- the foot 26 and the Head area 25 are welded to the airfoil area 7 or soldered. They are closed by a Circuit cooled with the same cooling fluid 6 as the airfoil area 7. This reduces the amount of coolant required and simplifies the construction of the cavity 5 respectively the interiors of the head 25 and foot areas 26.
- FIG. 10 shows a schematic drawing of the coolant flow through a medium-pressure steam-cooled turbine blade from Fig. 7.
- the inlet area 27 can have different flow resistances 51 are placed in different cooling chambers 21, so that the partial mass flows of the cooling fluid 6 can be adjusted.
- An enlarged mass flow causes an enlarged one Cooling effect, but also increased pressure drops.
- FIG. 11 shows a schematic drawing of a medium-pressure steam-cooled Turbine guide vane.
- the cavity 5 has five Partial cooling chambers 21, the front region 32 two front cooling chambers 31 and the rear area 36 a rear cooling chamber 53 on.
- the central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections, the wall thickness 8 of the outer wall 4 is almost constant. Due to the sufficient stiffening by the Inner walls 20 do not require ribs 16.
- FIG. 12 shows a flow diagram of the turbine blade from FIG. 11.
Landscapes
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Abstract
Um eine Turbinenschaufel (1), die eine einen Hohlraum umgebende Außenwand (4) hat, der von einem kühlfluid (6) durchströmt ist, zu erhalten, wobei sie eine verlängerte Lebensdauer auch unter sehr hohen Belastungen besitzt und mit geringem Aufwand herzustellen ist, wird vorgeschlagen, daß die Dicke (8) der Außenwand (4) zumindest über einen Umfang des Schaufelblattbereichs (7) so eingestellt ist, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand (4) vorbestimmte Temperaturschwellenwerte (TM) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) nicht überschritten werden. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere
Gasturbinenschaufel, die eine von einem heißen Aktionsfluid
angeströmte Außenwand hat, die einen gegebenenfalls mehrteiligen
Hohlraum umgibt, der von einem Kühlfluid durchströmt
ist, wobei die Außenwand über den Umfang des Schaufelblattbereichs
in einem Querschnitt durch den Schaufelblattbereich
der Turbinenschaufel unterschiedlich dick ist, sowie ein Verfahren
zur Herstellung einer gegossenen Turbinenschaufel,
insbesondere Gasturbinenschaufel, nach dem Oberbegriff von
Anspruch 27.
Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade und Leistungen beim Betrieb
einer mit einem Aktionsfluid, insbesondere einem heißen Gas,
betriebenen Turbine, insbesondere einer Gasturbine, wird das
Aktionsfluid auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Die vom
heißen Aktionsfluid zuerst angeströmten Leit- und Laufschaufeln
werden deshalb zur Vermeidung von Schädigungen intern
gekühlt, insbesondere mittels Durchströmung eines Kühlfluids,
beispielsweise eines Kühlgases oder eines leicht überhitzten
Kühldampfes.
US-Patent 5,320,483 offenbart, wie das Kühlfluid in Form von
Kühldampf in einem geschlossenen Kreislauf in die Turbinenschaufel
eingeleitet wird und nach dem Durchströmen eines mit
verschiedenen Strömungskammern und Innenwänden ausgestatteten,
innenliegenden Hohlraums der Turbinenschaufel wieder
herausgeführt wird. Der Hohlraum ist von der Außenwand der
Turbinenschaufel umgeben, die von dem heißen Aktionsfluid der
Turbine angeströmt ist. Die Außenwand weist eine im wesentlichen
konstante Dicke über eine Betrachtung eines Querschnitts
durch den Schaufelblattbereich auf. Trotz der Ausbildung von
komplexen und recht aufwendig herzustellenden Kanälen und
Turbulaturen innerhalb des Hohlraums der Turbinenschaufel ist
es bei dieser Art der Ausbildung einer Turbinenschaufel jedoch
nicht gewährleistet, daß die Kühlung überall homogen und
in dem erforderlichen Maße stattfindet, was die Lebensdauer
der Schaufel stark herabsetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine innengekühlte
Turbinenschaufel mit den oben genannten Merkmalen anzugeben,
die eine gegenüber üblichen Turbinenschaufeln verlängerte Lebensdauer
auch unter sehr hohen Belastungen besitzt, mit geringem
Aufwand herzustellen ist, sowie in einer Turbine hohe
Leistungs- und Wirkungsgrade bei niedrigen NOx-Emissionen ermöglicht
sowie - als Unteraufgabe - ein hierfür geeignetes
Herstellungsverfahren.
Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird dadurch
gelöst, daß die Dicke der Außenwand zumindest über einen
Teilumfang des Schaufelblattbereichs nach Maßgabe des Verlaufs
der externen Wärmeübergangszahl an der Außenseite der
Außenwand und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl an
der Innenseite der Außenwand kontinuierlich so verläuft, daß
vorbestimmte Temperaturschwellenwerte an der Außenwand
und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten zwischen vorbestimmten
Stellen der Außenwand nicht überschritten werden.
Die Außenwand der Turbinenschaufel wird durch das heiße Aktionsfluid
nicht überall gleich schnell und gleich stark umströmt,
was zu lokal stark unterschiedlichen Wärmeeinträgen
beziehungsweise Wärmeübergängen Aktionsfluid/Außenwand führt.
Ein Maß für diesen Wärmeübergang ist die externe Wärmeübergangszahl.
Eine Wärmeübergangszahl gibt die Wärmemenge an,
die pro Zeit- und Flächeneinheit übergeht. Je höher die Wärmeübergangszahl,
desto größer ist der Wärmeübergang der beispielsweise
durch Konvektion oder Strahlung in das Material
eingebrachten Wärme. Mit einem erhöhten externen Wärmeübergang
steigt die Kühlanforderung an dieser Stelle des Schaufelblatts.
Dieser lokal erhöhten Kühlanforderung wird erfindungsmäß dadurch
begegnet, daß die Dicke der Metallwand und somit der
Außenwand an Stellen mit einer hohen externen Wärmeübergangszahl
herabgesetzt wird. Dies ergibt sich unter Einbeziehung
der Lösung eines Gleichungssystems, das die Wärmeübertragung
innerhalb der verschiedenen Bereiche des Turbinenschaufelblatts
beschreibt. Die Wärmeübertragung umfaßt einerseits den
Wärmeübergang vom heißen Aktionsfluid auf die Außenseite der
Außenwand und von der Innenseite der Außenwand auf das Kühlfluid.
Weiterhin wird in dem Gleichungssystem die Wärmeleitung
innerhalb der Außenwand beschrieben. Eine dünnere Außenwand
erhöht die Wärmeleitung. Als Randbedingungen für die Lösung
des Gleichungssystems werden die Temperaturschwellenwerte,
die Temperaturgradienten gesetzt. Sie sind charakteristisch
für die Außenwand und stellen im wesentlichen eine
obere Begrenzung für die Aktionsfluidtemperaturen dar. Eine
Einhaltung dieser Werte stellt sicher, daß keine Temperaturen
an der Schaufel überschritten werden, die zu lokalen Schäden
und letztendlich zum frühen Versagen der Turbinenschaufel
führen könnten. Der Temperaturschwellenwert entspricht in der
Regel einer Oxidationsgrenze des Außenwandmaterials, der Temperaturgradient
ist eine Maß für aufgrund unterschiedlicher
Temperaturen zwischen zwei Stellen der Außenwand entstehende
thermische Spannungen. Zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer
der Turbinenschaufel darf er einen kritischen Wert,
der von dem Werkstoff, der Zusammensetzung aller beteiligten
Spannungen und vom Betriebs-Lastkollektiv abhängt, nicht
übersteigen.
Die Lösung des Gleichungssystems verdeutlicht, daß eine dünnere
Ausbildung der Außenwand in einer Art dynamischem
Gleichgewicht das Temperaturniveau und die anliegenden Temperaturgradienten
herabgesetzt. Prinzipiell führt somit eine
dünnere Ausbildung der Außenwand zu einer verbesserten Kühlwirkung
aufgrund der erhöhten Wärmeableitung durch das Schaufelaußenwandmaterial.
Dies unterliegt jedoch noch den Anforderungen
an die Stabilität, die der Dicke der Außenwand eine
untere Grenze setzen. Bei geschickter Ausbildung des Innenraums,
beispielsweise durch das Einsetzen von Rippen, wie unten
beschrieben, wird diese untere Grenze noch ein wenig zu
geringeren Dicken hin verschoben.
Durch eine lokale Variation der Dicke kann somit den lokal
erhöhten Kühlanforderungen an Stellen mit hohen externen Wärmeübergangszahlen
auf einfache Art und Weise begegnet werden.
An Stellen niedriger externer Wärmeübergangszahl kann die
Außenwand sogar dicker ausgeführt werden, was die Stabilität
erhöht. Aufgrund der durch die Einstellung der Außenwanddicke
erreichten, individuell angepaßten Kühlwirkung kann auf kompliziert
ausgebildete Kanäle innerhalb des Hohlraums verzichtet
werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Turbinenschaufel
und senkt die Kosten. Darüber hinaus wird der benötigte
Kühlfluidmassenstrom durch die angepaßte Kühlung gesenkt,
was den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine verbessert.
Vorteilhaft ist es, wenn die Außenwand mehrschichtig aufgebaut
ist und außen an der Außenwand eine dünne keramische
Schutzschicht und innen eine Metallwand aufweist und daß derjenige
Temperaturgradient maßgeblich ist, der zwischen der
Außenseite und der Innenseite der Metallwand anliegt. Durch
den mehrschichtigen Aufbau kann die Außenwand bei geeigneter
Wahl der Schichten verschiedenartige Aufgaben und Anforderungen
erfüllen. Die Metallwand, insbesondere aus einer hochwarmfesten
Metallegierung, gewährleistet neben einer ausreichenden
mechanische Festigkeit und gute Wärmeelastizität, was
aufgrund der wechselnden mechanischen Belastungen und Temperaturen
notwendig ist. Eine keramische Schutzschicht schützt
die Metallwand vor zu hohen Temperaturbelastungen bzw. verhindert
eine Oxidation bzw. Korrosion. Die Schutzschicht soll
unter anderem verhindern, daß die durch das Anströmen durch
das heiße Aktionsfluid an der Schaufelaußenwand verursachte
höchste Temperatur einen werkstoffspezifischen Maximalwert
übersteigt, beziehungsweise ein sich einstellender Temperaturgradient
zwischen der Außenseite der Außenwand und der Innenseite
der Außenwand einen bestimmten kritischen Wert übersteigt.
Übliche Hochleistungsschaufeln sind auf ausreichend
dicke keramische Schutzschichten zur Wärmedämmung angewiesen,
damit Temperatur- und Spannungsgrenzen einhaltbar sind. Durch
die hohen Belastungen während des Betriebs der Turbine, insbesondere
durch schnelle Temperaturwechsel beziehungsweise
große Spannungsunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen
der Außenwand und aufgrund der bereits im kalten Zustand vorhandenen
Gitterparameterunterschiede zwischen der keramischen
Schutzschicht und der Metallwand und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
platzen keramische Wärmedämmschichten
vorzeitig von der Metallwand ab. Hieran schließt sich
dann ein Versagen der Schaufel an. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch verhindert, daß die Dicke der Metallwand nach Maßgabe
der Wärmeübergangskoeffizienten eingestellt ist und der Temperaturschwellenwert
und der Temperaturgradient zwischen der
Außenseite und der Innenseite der Metallwand vorbestimmte
Werte nicht übersteigen. Diese Werte sind nach den entsprechenden
Anforderungen der Schutzschicht bzw. der Grenzschicht
zwischen Schutzschicht und Metallwand ausgelegt. Somit reicht
es, eine im Vergleich zu üblichen Schutzschichtdicken sehr
viel dünnere Schutzschicht auf die Metallwand aufzubringen.
Die dünnere Ausbildung der Schicht verbessert zusätzlich die
Haftung der Schutzschicht auf der Schaufeloberfläche und verhindert
ein lokales Abplatzen, weil sich die unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungen der Materialien aufgrund der
geringen Schichtdicke nicht mehr so stark auswirken. Zugleich
ist diese dünne Schicht wesentlich einfacher aufzubringen,
unter anderem auch deshalb, weil an sie geringere Anforderungen
bezüglich der Homogenität gestellt werden müssen. Dies
verringert die Herstellungskosten und erhöht zugleich die Lebensdauer
der Schaufel.
Wenn der Temperaturschwellenwert an der gesamten Außenwand
und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten über der gesamten
Außenwand nicht überschritten werden, sind besonders gute Bedingungen
für eine geringe thermische oder spannungsmäßige
Belastung einer Turbinenschaufel gegeben. Dies ist besonders
bei beschichteten Turbinenschaufeln wichtig. Durch eine
gleichmäßigere, niedrigere Temperatur der Außenwand aufgrund
der erfindungsgemäßen Einstellung der Dicke der Außenwand ist
eine gute Haftung der keramischen Schutzschicht auf der Metallwand
gewährleistet, ohne daß weitere fertigungstechnische
Maßnahmen ergriffen werden müßten oder die Heißgastemperatur
gesenkt werden müßte, was den Wirkungsgrad herabsetzen würde.
Aus thermischen Gründen ist es möglich, die keramische
Schutzschicht vollständig wegzulassen, wenn der Temperaturschwellenwert
und der Temperaturgradient kritischen werkstoffabhängigen
Werten entsprechen. Eine eventuelle Schutzschicht
dient in diesem Fall im wesentlichen noch zur Verhinderung
von Korrosions- bzw. Oxydationsangriffen und kann somit
zumindest dünner als übliche keramische Schutzschichten
ausgebildet sein. Dies verringert die Herstellungskosten und
erhöht die Lebensdauer der Schaufel.
Vorteilhaft ist es dann insbesondere, wenn die Außenwand einschichtig
ist und aus Metall besteht. Das Metall ist auch bei
relativ hohen Temperaturen noch stabil und leitet zugleich
die Wärme gut ab, so daß durch die Kühlung im Inneren und die
angepaßten Dicken der Außenwand die Temperaturschwellenwerte
und die Temperaturgradienten eingehalten werden können.
Um insbesondere bei dünnen Metallwandabschnitten erhöhten
Spannungen in der Außenwand, beispielsweise durch aufgrund
eines hohen Innendrucks erhöhten Primärspannungen, zu begegnen,
wird vorgeschlagen, daß im Hohlraum ein Feld aus Rippen
dort vorgesehen ist, wo ein Außenwandbereich geringerer Dicke
vorliegt. Auf diese Weise werden dünnere Bereiche der Außenwand
so gestärkt, daß sie annähernd dieselbe Stabilität aufweisen,
wie dickere Bereiche. Hierdurch läßt sich eine homogene
Beanspruchung der Turbinenschaufelaußenwand und eine
gleichmäßige Werkstoffausnutzung erzielen. Durch die homogene
Spannungs- und Dehnungsverteilung wird eine bessere Langzeithaftung
der keramischen Schutzschicht auf dem Grundmaterial
erreicht, was zu einer Verlängerung der Schaufellebensdauer
führt. Durch die Begrenzung der innendruckbedingten Primärspannungen
durch Anbringen von wanddickenabhängigen Rippenfeldern
im Hohlraum sowie Begrenzung der Wärmespannungen
durch Einhaltung eines Grenzwerts für den Temperaturgradienten
wird eine Schädigung des Werkstoffs durch zu hohe Zyklenzahlen
der sich einstellenden gesamten van Mises-Vergleichsspannung,
die die Primärspannung, die Wärmespannung sowie
weitere Spannungen umfaßt, zuverlässig verhindert. Bei Leit-und
Laufschaufeln erfolgt die Berechnung der thermischen
Leitwerte, d.h. der Dickenvariation in etwa gleich. Für die
Auslegung der Rippenfelder ist bei Laufschaufeln zu berücksichtigen,
daß noch fliehkraftbedingte Spannungen hinzukommen,
sowie zusätzliche Sekundärströmungen.
Diese vorgenannten Vorteile werden insbesondere dadurch erreicht,
daß die Rippen des Felds nach Maßgabe der Dicke der
Außenwand, des Temperaturschwellenwerts und/oder des Temperaturgradienten
und/oder der von Mises-Vergleichsspannung vorbestimmte
Maße, Abstände und räumliche Anordnungen aufweisen.
Eine optimale Parameterkombination ermöglicht in weiten Bereichen
eine Einhaltung der Temperaturzielgrößen, so daß eine
homogene Beanspruchung des Materials und eine gleichmäßige
Werkstoffausnutzung erzielt werden kann. Eine Begrenzung der
Wärmespannungen erfolgt im wesentlichen bereits durch die
Einhaltung des vorbestimmten Temperaturgradienten durch Einstellung
der Dicke der Metallwand und somit der Außenwand.
Die Begrenzung der Primärspannung erfolgt durch die angebrachten
wanddickenabhängigen Rippenfelder auf der Innenseite
der Außenwand. Werden vorbestimmte Abstände zwischen den Rippen
eingehalten, kann somit einerseits eine optimale Kühlwirkung,
zugleich jedoch auch eine optimale Stabilität des Materials
erreicht werden. Weitere Parameter sind die Höhe und
die Breite der Rippen, sowie ihre räumliche Anordnung. Durch
eine bestimmte Anordnung von Rippen in Rippenfeldern ist es
möglich, dünne und zugleich haltbare Außenwände für eine optimale
thermische Wandauslegung mit oder auch ohne keramische
Schutzschichten herzustellen. Diese Maßnahmen können in der
Regel sowohl für Leit- wie auch für Laufschaufeln eingesetzt
werden.
Wenn insbesondere das Feld der Rippen zumindest abschnittsweise
quer zur Strömung des Kühlfluids verläuft, wird die
Turbulenz des Kühlfluids erhöht, was die Kühlwirkung verbessert,
ohne daß zusätzliche Turbulatoren eingesetzt werden
müßten. Durch die quer zur Stömungsrichtung des Kühlfluids
angeordneten Rippenfelder wird gerade in den Bereichen mit
dünner Wandstärke, wo eine höhere interne Wärmeübergangszahl
benötigt wird, eine erwünschte höhere Kühlwirkung erreicht.
Zur Erzielung der gewünschten Verwirbelung ist darauf zu achten,
daß die Rippen weder zu eng noch zu weit voneinander beabstandet
angeordnet werden, weil sonst entweder keine ausreichende
Verwirbelung oder eine zu geringe Stabilität erzielt
werden.
Weisen die Rippen Queröffnungen auf, wird das Kühlfluid bei
dem Durchströmen des Innenraums turbulenter. Dies verbessert
wiederum die Kühlwirkung. Die Öffnungen sind so ausgelegt,
daß sie die Stabilität der Rippen nicht beeinflussen.
Es ist vorteilhaft, wenn der Hohlraum von der Druckseite zur
Saugseite in Längsrichtung der Turbinenschaufel von Innenwänden
durchzogen ist, wobei die Innenwände an die druckseitige
bzw. saugseitige Außenwand unter kontinuierlichem Verlauf an
den kontinuierlichen Verlauf der Dicke der Außenwand angeschlossen
sind. Durch die Einteilung des Hohlraums von der
Druckseite zur Saugseite wird sichergestellt, daß die Stabilität
der Turbinenschaufel erhalten bleibt bzw. verbessert
wird. Zugleich wird der Hohlraum in mehrere Kammern aufgeteilt.
Die Form und Anzahl der hierzu eingesetzten Innenwände
wird je nach Kühlungsart und Kühlfluideigenschaften so gewählt,
daß ein möglichst einfacher Aufbau des Hohlraums resultiert.
Dies bedeutet, daß eine kostengünstige, herkömmliche
Feingußtechnik angewandt werden kann. Wenn die Innenwände
an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand unter kontinuierlichem
Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke
der Außenwand angeschlossen sind, werden Spannungsspitzen in
der Außenwand werden reduziert. Die Innenwände verstärken die
Außenwandbereiche und fangen somit Spannungen auf, die durch
eine sich verändernde Dicke, und unterschiedlichen Temperaturen
in der Außenwand und damit unterschiedlichen Wärmetransport
entstehen. Darüber hinaus wird berücksichtigt, daß sich
überall ein optimales Geschwindigkeitsniveau des Kühllfluids
und somit eine optimale interne Wärmeübergangszahl ergibt.
Durch die Aufteilung des Hohlraums treten lediglich geringe
Druckverluste auf. Es ist dehalb ein hoher Anteil an Energie
aus dem erwärmten Kühlfluid rückgewinnbar.
Eine zusätzliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit ist
dadurch gegeben, daß der Hohlraum mit einer Aluminisierungsschicht
versehen ist, isnbesondere die dampfbenetzten Innenflächen.
Der Wirkungsgrad der Turbine wird durch das Kühlfluid kaum
bzw. lediglich minimal verringert, wenn das Kühlfluid in einem
geschlossenen Kreislauf durch die Turbinenschaufel geführt
wird. Die Führung in einem Kreislauf kann auch weitere
Turbinenschaufeln umfassen, wodurch zusätzlich Kühlfluid eingespart
wird. Dadurch, daß keine abkühlende Mischung durch in
das Aktionsfluid austretendes Kühlfluid ensteht, bleibt der
Wirkungsgrad und damit die Leistung der Turbine erhalten. Es
wird kein Kühlfluid verbraucht, was die Betriebskosten der
Turbine senkt. Die vom Kühlfluid innerhalb der Turbinenschaufel
aufgenommene Wärme kann weitgehend wiederverwendet werden.
Dies verbessert die Energieausnutzung und erhöht den
Wirkungsgrad.
Eine vorteilhafte räumliche Anordnung des Hohlraums der Turbinenschaufel
wird dadurch unterstützt, daß der Einlaß und
der Auslaß des Kühlfluids im Fußbereich angeordnet sind. Vom
Fußbereich aus wird das Kühlfluid dann in die verschiedenen
anderen Kühlbereiche geleitet. Der Fußbereich ist für Zuleitungen
des Kühlfluids leichter zugänglich.
Eine sparsame Verwendung des Kühlfluids ist dadurch gegeben,
daß der Kopf- und Fußbereich der Turbinenschaufel zugleich
mit dem Kühlfluid des Schaufelblattbereichs gekühlt wird.
Hierdurch ist der Aufbau des Kopf-, Fuß- und Schaufelblattbereichs
und insbesondere der Übergänge zwischen den Bereichen
vereinfacht.
Eine genauere Anpassung an die wirklich benötigte Kühlung ist
dadurch gegeben, daß die Turbinenschaufel eine Laufschaufel
ist und die Wanddicke von Kühlkammern im Hohlraum nach Maßgabe
einer lokalen Wärmeübergangszahl lokal variiert. Durch
die Rotationsbewegung der Laufschaufel wird das Kühlfluid in
manchen Bereichen der Kühlkammern stärker gegen die Innenwände
bzw. gegen die Außenwände gepreßt. Dies verursacht einen
inhomogenen internen Wärmeübergangskoeffizienten. Dies
wird durch die Änderung der Wanddicken der Innenwände bzw.
der Außenwand erfindungsgemäß wieder ausgeglichen. Durch die
Anpassung der Wanddicken wird lediglich die unbedingt benötigte
Materialmenge eingesetzt und zugleich ein genauer angepaßter
Kühlmittelverbrauch erreicht. Hierdurch wird der Wirkungsgrad
der Turbine erhöht und zugleich eine in allen Bereichen
der Scahuefl ausreichende Kühlung sichergestellt.
Vorteilhaft ist es, wenn im Mittelbereich des Schaufelblattbereichs
von Innenwänden gebildete Mittelkühlkammern vorgesehen
sind, die seriell vom Kühlfluid durchströmt sind. Die
Mittelkühlkanäle befinden sich in dem mit am stärksten durch
hohen Wärmeeintrag belasteten Bereichen der Turbinenschaufel.
Sie tragen somit einen großen Anteil der eingetragenen Wärme
in sich. Die serielle Durchströmung gewährleistet einen langen,
mäanderförmigen Weg des Kühlfluids durch die Turbinenschaufel
und somit eine gute Ausnutzung der Wärmekapazität
des Kühlfluids. Insbesondere an Umlenkstellen wird das Kühlfluid
stark verwirbelt und somit die Kühlwirkung verbessert.
Die benötigte Kühlfluidmenge wird reduziert.
Ein schnelles Fließen des Kühlfluids und damit ein verbesserter
Wärmeabtransport ist dadurch gegeben, daß im Mittelbereich
des Schaufelblattbereichs von Innenwänden gebildete
Mittelkühlkammern vorgesehen sind, die parallel vom Kühlfluid
durchströmt sind. Zugleich ist hierdurch der Aufbau des Hohlraums
in dem sich die Kühlkammern befinden, vereinfacht und
somit ein ausschußärmerer Guß bei der Herstellung ermöglicht.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids kurz vor dem Aufprall
auf die Außenwand wird erhöht, wenn zumindest eine der
Mittelkühlkammern einen Prallkühleinsatz mit nach außen gerichteten
Prallkühlbohrungen aufweist, die mit Abstand von
der Innenseite der Außenwand angeordnet und die vom Kühlfluid
durchströmt sind. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
des auf die Innenseite der Außenwand aufprallenden Kühlfluids
wird die Kühlwirkung deutlich verbessert. Hierdurch ist es
möglich, auch mittels eines Kühlmittels mit niedrigem Druck
eine gute Kühlwirkung zu erzielen, ohne die Außenwand durch
hohe Primärspannungen durch den Innendruck zu belasten.
Eine einfache, sichere und kostengünstige Art der Halterun
des Prallkühleinsatzes ist gegeben, wenn der Prallkühleinsatz
von auf der Innenseite der Außenwand und/oder von auf der Innenwand
und/oder von auf Rippen angebrachten Abstandshaltern
gehalten ist.
Eine weitere Verbesserung der Kühlung ist dadurch gegeben,
daß an der Hinterkante der Turbinenschaufel eine Zusatzkühlung
vorhanden ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dort
Außenwände enger zusammenlaufen und somit eine Verbindung zu
den übrigen Kühlkammern häufig schwierig ist.
Insbesondere handelt es sich dabei um eine separate, geschlossene
Dampfkühlung.
Wenn an der Hinterkante der Turbinenschaufel alternativ eine
offene Luftkühlung mit freiem Austritt vorhanden ist wird
keine Rückleitung mehr benötigt. Die eingesetzte Luft wird
frei in den Aktionsfluidraum eingeleitet. Da es sich nur um
eine relativ geringe Menge Kühlluft handelt, wird der Wirkungsgrad
der Turbine hierdurchwenig gemindert.
Zur Erzielung einer höheren internen Wärmeübergangszahl ist
es vorteilhaft, wenn das Kühlfluid Dampf ist. Die knappe, für
niedrige Schadstoffemissionen bei pulsationsfreiem Betrieb
benötigte Verdichterluft muß nicht eingesetzt werden. Eine
geschlossene Luftkühlung benötigt sehr viel Luft und bewirkt
hohe Druckverluste. Bei Verwendung von Dampf als Kühlfluid
sind gegenüber Luft 1,5 bis dreifach höhere interne Wärmeübergangszahlen
erzielbar. Der Einsatz von Dampf ermöglicht
somit den Betrieb der Turbine mit einem heißeren Aktionsfluid,
was wiederum den Wirkungsgrad heraufsetzt. Wenn Kühlluft
in das Aktionsfluid eingeleitet wird, entstehen hohe
Wirkungsgradverluste. Bei Beibehaltung der Temperatur des Aktionsfluids
ist es durch den Einsatz von Kühldampf möglich,
die Turbinenschaufelaußenwand dicker auszubilden, was die
Stabilität der Schaufel erhöht und die Anforderungen an die
Rippenfelder herabsetzt. Es sind auch Lösungen ohne Rippenfelder
möglich. Kühldampf besitzt gegenüber Luft zugleich
noch eine höhere Wärmekapazität, was zu einem verbesserten
Wärmeabtransport aus der Turbinenschaufel führt.
Bei Einsatz eines Niederdruckdampfes ist eine Ausgestaltung
des Hohlraums mit wenigen Kühlkammern im Blattbereich möglich.
Dieser Niederdruckdampf ist gekennzeichnet durch einen
Eintrittsdruck von 15 bar oder eine Eintrittstemperatur von
ungefähr 250°C. Durch den niedrigen Druck ist die Belastung
der Außenwand durch innendruckbedingte Primärspannungen vermindert
und es werden weniger Rippen zur Stabilisierung der
Außenwand benötigt. Der Innenraum kann beispielsweise so ausgestaltet
sein, daß zwei von einer Innenwand gebildete Kühlkammern
seriell von Kühlfluid durchströmt sind. Vorteilhafterweise
befindet sich zumindest in einer der Kühlkammern ein
Prallkühleinsatz, der Prallkühlbohrungen aufweist, die vom
Kühlfluid durchströmt sind, und der von auf der Innenseite
der Außenwand und/oder auf der Innenwand und/oder auf einigen
der Rippen angebrachten Stegen gehalten wird. Durch den Einsatz
von Prallkühlbohrungen wird der Kühldampf lokal stark
beschleunigt und somit seine Kühlwirkung erhöht. Die Beschleunigung
erfolgt durch die Prallkühlbohrungen auf die Innenseite
der Außenwand, und erhöht somit die interne Wärmeübergangszahl.
Besonders gute Kühleigenschaften hat der Dampf, wenn er ein
Mitteldruckdampf ist. Mitteldruckdampf ist gekennzeichnet
durch Eintrittsdaten von ungefähr 30 bar Druck und 350°C Eintrittstemperatur.
Zugleich ist der Innendruckspannungspegel
noch nicht sehr hoch, so daß die entstehenden Spannungen noch
beherrschbar sind. Der Mitteldruckdampf ist in modernen GUD-Kraftwerken
direkt verfügbar und muß nicht unter Energieverlust
zusätzlich bereitgestellt werden. Durch den höheren
Dampfdruck entstehen gegenüber einem Niederdruckdampf höhere
Wärmeübergangszahlen und ein besserer Wärmetransport. Unter
Gewährleistung gleichbleibender Kühlwirkung ist die Wanddicke
der Turbinenschaufel somit dicker ausbildbar, wodurch die
Stabilität der Turbinenschaufel erhöht wird und die Wand den
durch den hohen Druck des Mitteldruckdampfes erhöhten Primärspannungen
besser standhält. Zudem weist der Hohlraum bei
Verwendung eines Mitteldruckkühldampfs lediglich Kühlkammern
auf. Auf Prallkühleinsätze kann verzichtet werden. Dies vereinfacht
die Herstellung und reduziert die Kosten.
Die Außenkontur der Turbinenschauel entspricht vorteilhat dem
Verlauf einer aerodynamisch vorgegebenen Form, wobei die
Dicke der Außenwand zum Hohlraum hin variiert. Die Form weist
somit den Vorteil der Einhaltung der Temperaturschwellenwerte
auf und weicht zugleich von ihrer äußeren Form nicht von den
üblichen Profilen ab, so daß die Turbinenschaufel in üblichen
Turbinen eingesetzt werden kann und die bereits bekannten
Strömungseigenschaften aufweist.
Die auf das Verfahren zur Herstellung bezogene Unteraufgabe
wird dadurch gelöst, daß die Gußform so angeordnet wird, daß
der Profilverlauf der Außenkontur des Gußkerns der Differenz
zwischen einem aerodynamisch vorgegebenen, insbesondere äußeren
Profilverlauf eines Turbinenschaufelblatts und einer
Funktion entspricht, die nach Maßgabe des Verlaufs der externen
Wärmeübergangszahl an der Außenseite der Außenwand der
Turbinenschaufel und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl
an der Innenseite der Außenwand der Turbinenschaufel
kontinuierlich so verläuft, daß zumindest an vorbestimmten
Stellen der Außenwand vorbestimmte Temperaturschwellenwerte
und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten zwischen
vorbestimmten Stellen der Außenwand nicht überschritten werden.
Insbesondere entspricht der äußere Profilverlauf dabei
einem genormten Profilverlauf.
Es wird also lediglich ein Gußkern eingesetzt, dessen Außenwölbung
bzw. Geometrie mit der variablen Dicke der Außenwand
sowie u.U. mit den Geometrien zugehöriger Rippenfelder entsprechend
relativ zu einer umgebenden Gußform bzw. Außenkontur
veränderlich ist. Dieser Gußkern ist kompakt, besitzt
eine einfach herzustellende Form, die leicht abgestützt werden
kann und keinen exzessiv engen Toleranzanforderungen unterliegt.
Damit sind sowohl konventionelle Feingußverfahren,
als auch Verfahren mit gerichteter Erstarrung oder Einkristallerstarrung
ohne Mehrkosten durchführbar. Die Turbinenschaufel
kann in ihrem Schaufelblattbereich einstückig gegossen
werden. Der Ausschuß beim Guß ist durch die einfache Form
vermindert. Durch die Außenwölbungen wird die Außenwand des
Gußprodukts der Turbinenschaufel unterschiedlich dick ausgebildet,
wobei im wesentlichen keine Nachbearbeitung nötig
ist. Durch die einfache Maßnahme der unterschiedlich dick
ausgebildeten Außenwände können Temperaturgrenzwerte eingehalten
werden, ohne daß aufwendige Beschichtungen vorgenommen
werden müßten, die zudem leicht wieder abplatzen.
Sowohl für Niederdruck- wie auch für Mitteldruckdampfkonstruktionen
kommen gängige, ausschußarme Verfahren zum Einsatz,
da die minimalen Außenwanddicken mit annähernd 1 bis 2
mm im Vergleich zu sonst üblichen Außenwanddicken von dampfgekühlten
Turbinenschaufeln fast doppelt so groß sind und die
Gußtoleranzen bei annähernd 0,15 mm liegen, was in einem für
übliche Gußverfahren problemlosen Bereich liegt. Dies vereinfacht
die Herstellung und verringert die Herstellungskosten
beträchtlich.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 zeigt einen Querschnitt durch einen Schaufelblattbereich
7 einer niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel
1 miir variierender Außenwanddicke 34. Die Turbinenschaufel 1
wird an der Außenseite 9 der Außenwand 4 von einem heißen Aktionsfluid
2, insbesondere einem Heißgas angeströmt. Zur Kühlung
ist die Turbinenschaufel 1 in ihrem innenliegenden, im
allgemeinen mehrteiligen Hohlraum 5, der von der Außenwand 4
umgeben ist, von einem Kühldampf 6, nämlich einem Niederdruckkühldampf,
durchströmt. Der Hohlraum 5 ist in Längsrichtung
der Turbinenschaufel 1 von Innenwänden 20 durchzogen,
welche das Schaufelprofil in Richtung von der Druckseite 46
zur Saugseite 45 so durchziehen, daß mehrere Mittelkühlkammern
21 entstehen, in diesem Fall zwei, wobei die Innenwände
20 an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand 4 unter
kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der
Dicke 34 der Außenwand 4 angeschlossen sind. Die Mittelkühlkammern
21 weisen Prallkühleinsätze 22 auf, deren Wände von
einer Vielzahl kleiner Prallkühlbohrungen 23 durchbrochen
sind. Der Niederdruckkühldampf wird durch die Prallkühlbohrungen
23 hindurchgepreßt und auf die Innenseite 13 der
Außenwand 4 zu beschleunigt. Durch den schnellen Aufprall
wird die Innenseite 13 der Außenwand 4 dann gleichmäßig intensiv
gekühlt. Im Anströmkantenbereich 32 weist der Hohlraum
5 zwei Vorderkühlkammern 31 auf, durch die ebenfalls
Kühldampf hindurchströmt und die Innenseite 13 der Außenwand
4 gekühlt wird. Die Kühlung erfolgt hier konvektiv.
Die Außenwand 4 ist gegebenenfalls mehrschichtig aufgebaut
und weist eine Metallwand 3, außen bedarfsweise eine keramische
Schutzschicht 15 und innenliegend eine Aluminiumlegierungsschicht
54 auf, wie in Fig.2 dargestellt. Die Metallwand
3, besitzt entlang eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich
7 unterschiedliche Dicken 8. Die Dicke 8 der Metallwand
3 variiert kontinuierlich, d.h. ohne Sprünge bzw.
stetig um keine Spannungsspitzen hervorzurufen, nach Maßgabe
der externen Wärmeübergangszahl Wex an der Außenseite 9 der
Außenwand 4. Die Dicke 33 der keramischen Schutzschicht 15
ist annähernd konstant. Die Dicke 34 der Außenwand 4 variiert
also ebenfalls mit der Dicke 8 der Metallwand 3. Die externe
Wärmeübergangszahl Wex ist durch die Größe des Wärmeübergangs
vom Heißgas 2 in die Außenwand 4 gegeben. Das Prinzip der
Wärmeübertragung durch die Außenwand 4 ist in Fig.2 verdeutlicht.
Der externe Wärmeübergang erfolgt mit einer lokal unterschiedlichen,
durch die externe Wärmeübergangszahl Wex angegebenen
Größe, woran die Dicke 8 der Metallwand 3 bzw. die
Dicke 34 der Außenwand 4 angepaßt ist.
Die Dicke 34 der Außenwand 4 bzw. der Dicke 8 der Metallwand
3 ist erfindungsgemäß zudem auch nach Maßgabe der internen
Wärmeübergangszahl Wint an der Innenseite 13 der Außenwand 4
eingestellt. Auf die interne Wärmeübergangszahl Wint haben die
Art und die physikalischen Parameter des Kühlfluids 6 einen
entscheidenden Einfluß. Auch durch den Aufbau des Hohlraums 5
an der Innenseite 13 der Außenwand 4, beispielsweise durch
Rippen 16, kann die interne Wärmeübergangszahl Wint verändert
werden.
Der Hohlraum 5 weist Rippen 16 in den Bereichen 14 der Außenwand
4 auf, die besonders dünn sind oder die besonders starken
Belastungen unterworfen sind und somit stabilisiert werden
müssen. Rippen 16 sind beispielsweise auf beiden Innenseiten
13 der Außenwand 4 einer mit Prallkühleinsätzen 22
versehenen Mittelkühlkammer 21 quer zur Strömung 18 des Kühlfluids
6 verlaufend angebracht. Die mittlere Mittelkühlkammer
21 weist lediglich auf der Innenseite 13 der Außenwand 4 an
der Saugseite 45 der Turbinenleitschaufel 1 Rippen 16 auf, an
der Druckseite 46 hingegen nur Abstandshalter 44, die den
Prallkühleinsatz 22 in Position halten. An einigen der Rippen
16 sind ebenfalls Abstandshalter 44 für die Positionierung
des Prallkühleinsatzes 22 vorhanden.
Die Rippen 16 weisen vorbestimmte Maße auf, wie die Dicke 37,
die Höhe 41, ihren Fußradius 39, ihren Kopfradius 40, ihre
mittragende Breite 38 sowie räumliche Anordnungen, die besonders
geeignet sind, zur Verwirbelung der Kühlfluidströmung 18
beizutragen beziehungsweise eine ausreichende Kühloberfläche
an der Innenseite 13 der Außenwand 4 zu liefern. Eine Darstellung
findet sich in Fig.5 bzw. 6. Eine gute Verwirbelung
ist insbesondere dann gegeben, wenn die Rippen 16, die in
Rippenfeldern angeordnet sind, die quer zur Strömungsrichtung
18 des Kühlfluids 6 liegen.
Die Dicke 8 der Metallwand 3 bzw. die Dicke 34 der Außenwand
4 bewegt sich zwischen annähernd 0,6 mm bis 1,0 mm im Hinterkantenbereich
36 bis zu annähernd 2 mm im Druckbereich 46.
Die Änderungen zwischen den einzelnen Dickenbereichen, die
durch Innenwände 20 abgegrenzt sind, weisen zur Verminderung
von Spannungsspitzen kontinuierliche Übergänge 10 auf, berechnet
beispielsweise mittels einer linearen Interpolation
zwischen den unterschiedlichen Solldicken.
Fig.2 zeigt schematisch die Wärmeübertragung von einem Aktionsfluid
2 auf eine Kühlfluid 6 über eine Außenwand 4 und ein
schematisches Profil der Temperatur T. Die Außenwand 4 der
Dicke 34 ist mehrschichtig aufgebaut. Sie weist eine außenliegende
keramische Schutzschicht 15 der Dicke 33, eine tragende
Metallwand 3 der Dicke 8 auf. Im Hohlraum 5 und insbesondere
an der Innenseite 13 der Außenwand 4 ist optional
eine Aluminisierungsschicht 54 gegen Korrosion vorgesehen.
Die Beschichtung 54 kann sehr dünn ausgebildet sein. Ist die
Beschichtung 54 nicht angebracht, liegt die Innenseite 13 der
Außenwand 4 gleich mit der Innenseite 12 der Metallwand.
Das außen anströmende heiße Aktionsfluid 2 besitzt eine gegenüber
der Außenwand 4 erhöhte Temperatur T. An der Außenseite
9 der keramischen Schutzschicht 15 findet ein Wärmeübergang
auf die Außenwand 4 statt. Der externe Wärmeübergang
ist gekennzeichnet durch die externe Wärmeübergangszahl Wex,
deren Größe angibt, wie stark Wärme auf die Außenwand 4 übergeht.
Der lokale Wärmeübergang zwischen Aktionsfluid 2 und
der Außenwand 4 weist für verschiedene Außenwandabschnitte 14
des Schaufelblattbereichs 7 der Turbinenschaufel 1 verschiedene
externe Wärmeübergangskoeffizienten Wex auf und somit
unterschiedliche Dicken 8 der Metallwand 3.
Nach Eintritt der Wärme in die Außenwand 4 erfolgt zunächst
eine Wärmeleitung durch die keramische Schutzschicht 15 und
daraufhin durch die Metallwand 3. Die Wärmeleitung der keramischen
Schutzschicht 15 ist anders als die der Metallwand 3.
Somit weist der Temperaturverlauf T am Übergang von der Innenseite
35 der keramischen Schutzschicht 15 auf die Außenseite
11 der Metallwand 3 eine Unstetigkeit auf. An der Innenseite
12 der Metallwand 3, die in diesem Fall mit der Innenseite
13 der Außenwand 4 übereinstimmt, tritt die Wärme
aus der Außenwand 4 aus, was durch den internen Wärmeübergangskoeffizienten
Wint beschrieben wird. An der Innenseite 13
nimmt das innen vorbeiströmende Kühlfluid 6 die Wärme mit.
Der Temperaturverlauf T zeigt in diesem Bereich einen starken
Abfall.
In dem Bereich des Übergangs von der keramischen Schutzschicht
15 auf die Metallwand 3 ist ein Temperaturschwellenwert
TM definiert, der charakteristisch für die Temperaturbeständigkeit
der Außenwandmaterials ist, u.a. für die Haftqualität
der keramischen Schutzschicht 15 auf der Metallwand 3.
Zwischen der maximaler Metalltemperatur </= TM und der Temperatur
an der Innenseite 12 der Metallwand 3 ist ein Temperaturgradient
ΔTM definiert. Er ist ein Maß für Temperaturunterschiede
und somit auch für die Spannungsbelastung der
Außenwand 4. Durch die erfindungsgemäße Einstellung der Dicke
8 der Metallwand 3 wird erreicht, daß zumindest an vorbestimmten
Stellen der Außenwand 4 vorbestimmte Temperaturschwellenwerte
TM und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten
ΔTM zwischen der Außenseite 11 der Metallwand 3 und der Innenseite
12 der Metallwand 3, also vorbestimmten Stellen der
Außenwand 4, nicht überschritten werden. Dies stellt sicher,
daß die Außenwand 4 der Turbinenschaufel 1 nicht übermäßig
belastet wird, die keramische Schutzschicht 15 besser auf der
Metallwand 3 haftet, keine Oxidation auftritt und somit ein
dauerhafter Einsatz der Turbinenschaufel 1 möglich ist. Für
eine Ziellebensdauer der Schaufel von mindestens 25000 äquivalenten
Betriebsstunden oder zirka 1000 Normallastzyklen
gilt für aktuelle Schaufelwerkstoffe bzw. Betriebs-Lastkollektive,
daß der vorbestimmte Temperaturschwellenwert TM bei
annähernd 930 °C bis 950 °C liegt und der vorbestimmte Temperaturgradient
ΔTM bei annähernd 200 bis 220 °C bzw. bei annähernd
260 bis 290 °C über der Metallwanddicke 8 beträgt.
Fig.3 zeigt eine Aufsicht auf den Fußbereich 26 einer Turbinenschaufel
entsprechend Fig.1. Der Fußbereich 26 weist einen
Einlaß 27 und einen Auslaß 28 für das Kühlfluid 6 auf. Schematisch
ist die Lage des Schaufelblattbereichs 7 relativ zum
Fußbereich 26 der Turbinenschaufel 1 angedeutet. Das Kühlfluid
6 durchströmt die Turbinenschaufel 1 in Mittelkühlkammern
21 mit Prallkühleinsätzen 22 und konvektiv in Vorderkühlkammern
31 im Anströmkantenbereich 32. An der Hinterkante
36 der Turbinenschaufel 1 ist eine Zusatzkühlung 56 vorgesehen,
bei der es sich vorzugsweise um eine seperate, geschlossene
Dampfkühlung handelt.
Fig.4 zeigt eine Seitenansicht mit einem Fließschema des
Kühlfluids 6. Nach dem Einlaß 27 des Kühlfluids 6 in den Fußbereich
26 der Turbinenschaufel 1 durchströmt das Kühlfluid 6
in einem abgezweigten Kühlfluidteilstrom 47 den Hinterkantenbereich
36 der Turbinenschaufel 1. Ein anderer abgezweigter
Kühlfluidteilstrom 48 durchströmt eine Vorderkühlkammer 31 im
Anströmkantenbereich 32. Nach Verlassen des Schaufelblattbereichs
7 durchläuft das Kühlfluid 6 den Kopfbereich 25 der
Turbinenschaufel 1. Daraufhin durchströmt es zunächst die auf
der Saugseite 45 liegende Vorderkühlkammer 31 und nach einer
Umleitung die auf der Druckseite liegende, benachbarte Vorderkühlkammer
31 bis zum Auslaß 28 im Fußbereich 26.
Ein weiterer, vom zugeführten Kühlfluid 6 abgezweigter Kühlfluidteilstrom
49 durchströmt eine erste Mittelkühlkammer 21,
die einen Prallkühleinsatz 22 aufweist. Nach Durchgang durch
den Kopfbereich 25 durchströmt das Kühlfluid 6 seriell die
zweite Kühlkammer 21, die ebenfalls einen Prallkühleinsatz 22
aufweist, in umgekehrter Richtung wie die erste. Nach Erreichen
des Fußbereichs 26 der Turbinenschaufel 1 werden die
verschiedenen Ströme zusammengeleitet und durch den Auslaß 28
aus der Turbinenschaufel 1 entlassen. Das Kühlfluid 6 wird
zugleich zum Durchströmen des Schaufelblattbereichs 7 und des
Kopf- 25 und des Fußbereichs 26 benutzt. Es ist lediglich ein
einziger geschlossener Kreislauf für das Kühlfluid 6 notwendig,
was die Handhabung vereinfacht und die Herstellungskosten
verringert.
Der Kopf- 25 und der Fußbereich 26 sind mittels einfacher
Schweiß- oder Lötverbindungen 24 an dem Schaufelblattbereich
7 der Turbinenschaufel 1 befestigt bzw. mit Abschlußplaten 17
verschlossen. Diese einfache Art der Befestigung ist aufgrund
des einfachen Aufbaus des Hohlraums 5 möglich. In dem Kopf25
und Fußbereich 26 können zur Unterstützung der Kühlwirkung
des Kühlfluids 6 Prallkühleinsätze 22 untergebracht sein, was
nicht dargestellt ist.
Fig.5 zeigt in einem vergrößernden Schnitt schematisch Rippen
16, die zur Verstärkung der ausgedünnten Bereiche der Außenwand
4 eingesetzt sind. Die Aufsicht auf die Rippen 16 aus
Fig.1 erfolgt in Querrichtung, so daß nur Rippen 16 quer zur
Strömungsrichtung des Kühlfluids 6 sichtbar sind. Entlang einer
Rippe 16 sind Rippenqueröffnungen 19 vorbestimmter Maße
und Abstände angebracht, wie in Fig. 1 und Fig.7 dargestellt.
Sie dienen dem Queraustausch und der zusätzlichen Verwirbelung
des Kühlfluids 6, wodurch die Kühlwirkung des Kühlfluids
6 verbessert wird. Variiert werden kann hierbei beispielsweise
die Höhe 42 der Rippenqueröffnungen 19 sowie ihr Abstand
52 vom Kopf 50 der Rippe 16, s. Fig.6, wie auch der Abstand
43 der Rippenqueröffnungen 19. Bei der Abstimmung des
Rippenfeldes auf die Anforderungen aufgrund der eingestellten
Dicke 34 der Außenwand 4 können die oben genannten Maße, Abstände
und räumlichen Anordnungen in bestimmten Grenzen verändert
werden. Die Grenzen sind einerseits dadurch bestimmt,
daß eine gute Kühlung erhalten werden muß, anderseits soll
eine ausreichende Stabilität der nach Maßgabe der Wärmeübergangszahlen
lokal mit einer geringen Dicke ausgebildeten
Außenwand 4 gegeben sein. Für letztere ist es notwendig, die
Rippen 16 enger anzuordnen, andererseits dürfen sie nicht zu
eng sein, so daß das Kühlfluid 6 nicht lediglich über sie
hinwegströmt und möglicherweise nicht verwirbelt wird. Die
Höhe 41 der Rippen 16 beträgt ungefähr das Ein- bis Zweifache
der Außenwanddicke 34. Die mittragende Breite 38 der Rippen
16 beträgt ungefähr das Vierfache der Dicke 34 der Außenwand
4. In den Bereichen der Anströmkante 32 befinden sich vorzugsweise
keine Rippen beziehungsweise mur konventionelle
Turbulatoren wie auch im Hinterkantenbereich 36.
Fig.6 zeigt eine beispielhafte Anordnung von Rippenqueröffnungen
19. Sie weisen eine längliche ovale Form auf. Sie bewirken
einen Queraustausch und eine Verwirbelung der vorbeiströmenden
Kühlfluids 6, wobei sie jedoch so beabstandet angeordnet
sind, daß sie die Stabilität der Rippen 16 nicht beeinträchtigen,
die zur Stabilisierung der dünnen Außenwandbereiche
14 dienen.
Fig.7 zeigt einen Schnitt durch einen Schaufelblattbereich 7
einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel 1 mit
variierender Außenwanddicke 34. Der von der Außenwand 4 umgebene
Hohlraum 5 weist sechs Kühlkammern 21 auf, zwei Vorderkühlkammern
31 im Bereich der Anströmkante 32 sowie eine Hinterkühlkammern
53 im Hinterkantenbereich 36. Die sechs Mittelkühlkammern
21 sind durch Innenwände 20 voneinander getrennt.
Die Mittelkühlkammern 21 weisen etwa gleiche Strömungsquerschnitte
auf. Sie sind nach einem in Fig.3 dargestellten
Fließschema seriell von dem Kühldampf 6 durchströmt.
Die Wanddicke 8 der Metallwand 3 variiert über den Umfang von
annähernd 1 bis 2,2 mm, nach demselben Prinzip, wie bereits
bei der niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel beschrieben,
d.h. zum Ausgleich der sich über der Querschnitt
des Schaufelblatts 7 ändernden Wärmeübergangszahlen Wex, Wint.
Die Übergänge zwischen Bereichen 14 unterschiedlichen Wanddicken
8 sind jeweils kontinuierlich, entsprechend den Bereichen
10, ausgeführt, das heißt stetig, vorzugsweise linear
oder mittels anderer Funktionen interpoliert.
Die Turbinenschaufel 1 weist an der gesamten Innenseite 13
der Außenwand 4, ausgenommen dem Hinterkantenbereich 36, Rippenfelder
auf, die zur Unterstützung der ausgedünnten Außenwand
4 dienen. Der Mitteldruckdampf weist gegenüber dem Niederdruckdampf
einen nahezu doppelt so großen Druck auf (annähernd
30 bar gegenüber annähernd 15 bar). Somit ist die Innendruckbelastung
der Außenwand 4 wesentlich stärker und ein
Hinzufügen von weiteren Rippenfeldern vonnöten. Vorteilhaft
ist dabei jedoch, daß der Mitteldruckdampf einen verbesserten
Wärmeabtransport und damit günstigere interne Wärmeübergangszahlen
Wint gewährleistet. Die Rippen 16 weisen wiederum vorbestimmte
Abstände und Dimensionen auf und sind mit Querströmungsöffnungen
19 ausgestattet. Die Rippen 16 liegen im wesentlichen
quer zur Strömungsrichtung 18, die parallel zur
radialen Achse des Schaufelblatts 7 erfolgt.
Der Kühlmassenfluß kann durch Hinzufügen oder Weglassen von
Strömungswiderständen 51, die in Fig. 4 nur schematisch angedeutet
sind, so eingestellt werden, daß ein gewünschter
Kühlstrom und ein interner Wärmeübergang bzw. Wärmeübergangszahl
Wint eintritt, der an die variierende Wanddicke 34 der
Außenwand 4 angepaßt ist.
Fig.8 zeigt eine Aufsicht auf einen Fußbereich 26 einer mitteldruckdampfgekühlten
Turbinenschaufel aus Fig.7 mit einem
Einlaß 27 und einem Auslaß 28 für das Kühlfluid 6.
Fig.9 zeigt einen Längsschnitt einer mitteldruckdampfgekühlten
Turbinenschaufel nach Fig.7 mit einem Fuß- 26, einem
Schaufelblatt- 7 und einem Kopfbereich 25 und ein Fließschema
des Mitteldruckkühldampfes. Die Mittelkühlkammern 21 werden
seriell und die Vorder- 31 und die Hinterkühlkammer teilweise
parallel vom Kühlfluid 6 durchströmt. Der Fuß- 26 und der
Kopfbereich 25 sind an den Schaufelblattbereich 7 angeschweißt
oder angelötet. Sie werden durch einen geschlossenen
Kreislauf mit demselben Kühlfluid 6 gekühlt wie der Schaufelblattbereich
7. Dies verringert die benötigte Kühlmittelmenge
und vereinfacht den Aufbau des Hohlraums 5 beziehungsweise
der Innenräume des Kopf- 25 und Fußbereichs 26.
Fig.10 zeigt eine Schemazeichnung des Kühlmittelflusses durch
eine mitteldruckdampfgekühlte Turbinenschaufel aus Fig.7. In
dem Einlaßbereich 27 können verschiedene Strömungswiderstände
51 in unterschiedliche Kühlkammern 21 gelegt werden, so daß
der Teilmassenströme des Kühlfluids 6 eingestellt werden können.
Ein vergrößerter Massenstrom bewirkt eine vergrößerte
Kühlwirkung, aber auch erhöhte Druckverluste.
Fig.11 zeigt eine Schemazeichnung einer mitteldruckdampfgekühlten
Turbinenleitschaufel. Der Hohlraum 5 weist fünf
Mtteilkühlkammern 21, der vordere Bereich 32 zwei Vorderkühlkammern
31 und der hintere Bereich 36 eine Hinterkühlkammer
53 auf. Die Mittelkühlkammern 21 haben etwa gleiche Strömungsquerschnitte,
die Wanddicke 8 der Außenwand 4 ist nahezu
konstant. Aufgrund der ausreichenden Versteifung durch die
Innenwände 20 sind keine Rippen 16 notwendig.
Fig.12 zeigt ein Fließschema der Turbinenschaufel aus Fig.
11.
Claims (27)
- Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel, die eine von einem heißen Aktionsfluid (2) angeströmte Außenwand (4) hat, die einen gegebenenfalls mehrteiligen Hohlraum (5) umgibt, der von einem Kühlfluid (6) durchströmt ist, wobei die Außenwand (4) über den Umfang des Schaufelblattbereichs (7) der Turbinenschaufel (1) unterschiedlich dick ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (34) der Außenwand (4) zumindest über einen Teilumfang des Schaufelblattbereichs (7) nach Maßgabe des Verlaufs der externen Wärmeübergangszahl (Wex) an der Außenseite (9) der Außenwand (4) und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl (Wint) an der Innenseite (13) der Außenwand (4) kontinuierlich so verläuft, daß vorbestimmte Temperaturschwellenwerte (TM) an der Außenwand (4) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) über der Außenwand (4) zwischen vorbestimmten Stellen der Außenwand (4) nicht überschritten werden. - Turbinenschaufel nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (4) mehrschichtig aufgebaut ist und außen an der Außenwand (4) eine dünne keramische Schutzschicht (15) und innen eine Metallwand (3) aufweist und daß derjenige Temperaturgradient (ΔTM) maßgeblich ist, der zwischen der Außenseite (11) und der Innenseite (12) der Metallwand (3) anliegt. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschwellenwert (TM) an der gesamten Außenwand (4) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) über der gesamten Außenwand (4) nicht überschritten werden. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschwellenwert (TM) und der Temperaturgradient (ΔTM) kritischen, werkstoff- und spannungsabhängigen Werten entsprechen. - Turbinenschaufel nach Anspruch 3 oder 4
dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand einschichtig ist und aus Metall besteht. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (5) ein Feld aus Rippen (16) dort vorgesehen ist, wo ein Außenwandbereich (14) geringerer Dicke (34) vorliegt. - Turbinenschaufel nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (16) des Felds nach Maßgabe der Dicke (34) der Außenwand (4), des Temperaturschwellenwerts (TM) und/oder des Temperaturgradienten (ΔTM) und der von Mises-Vergleichsspannung vorbestimmte Maße, Abstände und räumliche Anordnungen aufweisen. - Turbinenschaufel nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der Rippen (16) zumindest abschnittsweise quer zur Strömung (18) des Kühlfluids (6) verläuft. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (16) Queröffnungen (19) aufweisen. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (5) von der Druckseite (46) zur Saugseite (45) in Längsrichtung der Turbinenschaufel (1) von Innenwänden (20) durchzogen ist, wobei die Innenwände (20) an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand (4) unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke (34) der Außenwand (4) angeschlossen sind. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (5) mit einer Aluminisierungsschicht (54) versehen ist. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid (6) in einem geschlossenen Kreislauf durch die Turbinenschaufel (1) geführt wird. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (27) und der Auslaß (28) des Kühlfluids (6) im Fußbereich (26) angeordnet sind. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf- (25) und Fußbereich (26) der Turbinenschaufel (1) zugleich mit dem Kühlfluid (6) des Schaufelblattbereichs (7) gekühlt wird. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufel (1) eine Laufschaufel ist und die Wanddicken (30) der Innenwände (20) im Hohlraum (5) nach Maßgabe einer lokalen Wärmeübergangszahl lokal variieren. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelbereich (55) des Schaufelblattbereichs (7) von Innenwänden (20) gebildete Mittelkühlkammern (21) vorgesehen sind, die seriell vom Kühlfluid (6) durchströmt sind. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelbereich (55) des Schaufelblattbereichs (7) von Innenwänden (20) gebildete Mittelkühlkammern (21) vorgesehen sind, die parallel vom Kühlfluid (6) durchströmt sind. - Turbinenschaufel nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Mittelkühlkammern (21) einen Prallkühleinsatz (22) mit nach außen gerichteten Prallkühlbohrungen (23) aufweist, die mit Abstand von der Innenseite (13) der Außenwand (4) angeordnet und die vom Kühlfluid (6) durchströmt sind. - Turbinenschaufel nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkühleinsatz (22) von auf der Innenseite (13) der Außenwand (4) und/oder von auf der Innenwand (20) und/oder von auf Rippen (16) angebrachten Abstandshaltern (44) gehalten ist. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Hinterkante (36) der Turbinenschaufel (1) eine Zusatzkühlung (56) vorhanden ist. - Turbinenschaufel nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkühlung (56) eine separate, geschlossene Dampfkühlung ist. - Turbinenschaufel nach Anspruch 20
dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkühlung (56) eine Luftkühlung mit freiem Austritt ist. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid (6) Dampf ist. - Turbinenschaufel nach Anspruch 23
dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf ein Niederdruckdampf ist. - Turbinenschaufel nach Anspruch 23
dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf ein Mitteldruckdampf ist. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Turbinenschaufel (1) dem Verlauf einer aerodynamisch vorgegebenen Form entspricht und daß die Dicke (34) der Außenwand (4) zum Hohlraum (5) hin variiert. - Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mit einer Außenwand (4), die entlang eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich (7) der Turbinenschaufel (1) unterschiedlich dick ist, und mit den weiteren Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 26, wobei das Verfahren ein Gußverfahren umfaßt, bei dem eine Gußform verwendet wird, die einen Gußkern enthält, zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform so andeordnet wird, daß der Profilverlauf der Außenkontur des Gußkerns der Differenz zwischen einem aerodynamisch vorgegebenen äußeren Profilverlauf eines Turbinenschaufelblatts (7) und einer Funktion entspricht, die nach Maßgabe des Verlaufs der externen Wärmeübergangszahl (Wex) an der Außenseite (9) der Außenwand (4) der Turbinenschaufel (1) und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl (Wint) an der Innenseite (13) der Außenwand (4) der Turbinenschaufel (1) kontinuierlich so verläuft, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand (4) vorbestimmte Temperaturschwellenwerte (TM) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) nicht überschritten werden.
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