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DE10001109A1 - Gekühlte Schaufel für eine Gasturbine - Google Patents

Gekühlte Schaufel für eine Gasturbine

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DE10001109A1
DE10001109A1 DE10001109A DE10001109A DE10001109A1 DE 10001109 A1 DE10001109 A1 DE 10001109A1 DE 10001109 A DE10001109 A DE 10001109A DE 10001109 A DE10001109 A DE 10001109A DE 10001109 A1 DE10001109 A1 DE 10001109A1
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DE
Germany
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cooling
channels
internal
film
blade
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Application number
DE10001109A
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English (en)
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Ewald Lutum
Klaus Semmler
Jens Von Wolfersdorf
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
Original Assignee
Alstom Power Schweiz AG
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Publication date
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Priority to GB0100586A priority patent/GB2358226B/en
Priority to US09/758,188 priority patent/US6379118B2/en
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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Abstract

Bei einer gekühlten Schaufel für eine Gasturbine, bei welcher Schaufel ein Kühlfluid, vorzugsweise Kühlluft, zur konvektiven Kühlung durch wandnahe Innenkühlungskanäle (141, ..., 143) strömt und anschließend zur äußeren Filmkühlung durch erste Filmkühlungsbohrungen (161, ..., 163) auf die Schaufeloberfläche gelenkt wird, und die Fluidströmung zumindest in einem Teil der Innenkühlungskanäle (141, ..., 143) im Gegenstrom zu der die Schaufel umströmenden Heißgasströmung (18) geführt wird, wird eine homogene Kühlung in radialer Richtung dadurch erreicht, dass in radialer Richtung in der Schaufel eine Mehrzahl von Innenkühlungskanälen (141, ..., 143) und Filmkühlungsbohrungen (161, ..., 163) übereinander so angeordnet sind, dass die Austrittsöffnungen der Filmkühlungsbohrungen (161, ..., 163) jeweils versetzt zu den Innenkühlungskanälen (141, ..., 143), insbesondere zwischen den Innenkühlungskanälen (141, ..., 143), liegen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Schaufel ist z. B. aus der Druckschrift WO 99/06672 bekannt.
STAND DER TECHNIK
Zur Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades werden bei heutigen Gas­ turbinenanlagen immer höhere Turbineneintrittstemperaturen verwendet. Um die Turbinenschaufeln vor den erhöhten Heissgastemperaturen zu schützen, müssen diese intensiver als bisher gekühlt werden. Bei entsprechend hohen Turbinenein­ trittstemperaturen werden dabei sowohl konvektive Kühlung als auch Filmküh­ lungselemente eingesetzt. Um die Effektivität dieser Kühlungsarten zu erhöhen, ist es wünschenswert, die Wandmaterialstärken zu verringern. Weiterhin ist eine op­ timale Aufteilung zwischen konvektiver Wärmeaufnahme des Kühlfluids und Kühl­ fluidtemperatur bei der Ausblasung als Kühlfilm anzustreben.
Kombinationen von konvektiver Kühlung und Filmkühlung bei verringerten Wand­ stärken sind z. B. aus den Patentschriften US-A-5,562,409, der eingangs genann­ ten US-A-4,770,608, und der US-A-5,720,431 bekannt. Dabei wird die konvektive Kühlung über Prallkühlung vorgenommen, wobei nur ein kleiner Teil der Oberflä­ che von dem jeweiligen Kühlfluidstrahl, der anschliessend zur Filmkühlung ver­ wendet wird, gekühlt wird. Die konvektive Kühlfähigkeit des Fluids wird daher nur teilweise ausgenutzt.
Die Patentschriften US-A-5,370,499 und US-A-5,419,039 beschreiben eine Me­ thode, um diesen Nachteil zu umgehen. Hierbei wird das Kühlfluid zunächst in wandnahen Kanälen zur konvektiven Kühlung verwendet, bevor es als Film aus­ geblasen wird. Die konvektiven Kühlkanäle können dabei mit turbulenzerhöhen­ den Vorrichtungen (Rippen, Zylindern oder gekreuzten Kanälen) versehen wer­ den. Allerdings wird die Kühlfluidführung in diesen Vorrichtungen immer parallel zur Hauptgasströmung vorgenommen, was für eine optimale Kühlung nicht die beste Lösung darstellt.
In der eingangs genannten Druckschrift WO-A1-99/06672 ist nun vorgeschlagen worden, das Kühlfluid im konvektiven Teil antiparallel, d. h. im Gegenstrom zur Hauptgasströmung (und damit zur Filmkühlungsströmung) zu führen. Hierdurch ergibt sich zwar eine homogenere Kühlung in axialer Richtung bzw. in Richtung der Heissgasströmung. Offen bleibt jedoch, wie eine homogene Kühlung bzw. Temperaturverteilung in Längsrichtung der Schaufel, also in der radialen Er­ streckung erreicht werden kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Gasturbinenschaufel zu schaffen, welche auch in radialer Richtung eine homogene Verteilung der Materialtempera­ tur an der Schaufel sicherstellt.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, in radialer Richtung in der Schaufel eine Mehrzahl von Innenkühlungskanälen und Filmkühlungsbohrungen übereinander so anzuordnen, dass die Austrittsöffnungen der Filmkühlungsbohrungen jeweils versetzt zu den Innenkühlungskanälen, und insbesondere zwischen den Innen­ kühlungskanälen, liegen. Da die Kühlwirkung der Filmkühlung zwischen den Boh­ rungen geringer als in axialer Richtung hinter den Bohrungen ist, wird durch die erfindungsgemässe Anordnung in diesen Zwischenbereichen die Kühlwirkung der Innenkühlung ausgenutzt.
Das Kühlfluid wird zunächst im Gegenstrom zur Heissgasströmung in wandnahen konvektiven Kanälen, die in der Gesamtstruktur integriert sind und die mit turbu­ lenzerzeugenden Vorrichtungen versehen sein können, geführt, bevor das Kühl­ fluid zur Filmkühlung verwendet wird. Dadurch werden sehr gleichmässige Tem­ peraturverteilungen erzeugt, was für die angestrebten geringen Wandstärken und den damit verbundenen geringen Wandwärmewiderstand sehr wichtig ist, da der Temperaturausgleich durch Wärmeleitung in der Wand bei geringen Wandstärken behindert ist. Weiterhin kann durch die automatisch vorhandene Umlenkung des Kühlfluids ein Impuls aufgebracht werden, der vorteilhaft für die Kühlwirkung des Kühlfilms ist, wie dies z. B. in der Patentschrift US-A-4,384,823 beschrieben wor­ den ist, oder es kann auch ein Drall in der "Vorkammer" der Filmkühlungsbohrung erzeugt werden, wie dies in der Patentschrift US-A-4,669,957 beschrieben wurde.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Schaufel nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in den Innenkühlungskanälen turbulenzerzeugende Ele­ mente angeordnet sind. Hierdurch kann der Kontakt zwischen Kühlfluid und Ka­ nalwand und damit die Innenkühlung weiter verbessert werden.
Eine gezielte Einstellung der Kühlung lässt sich erreichen, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in den Innenkühlungskanä­ len zur Einstellung des Kühlfluiddruckes bzw. des Kühlfluidmassenstromes Kavi­ täten angeordnet sind.
Die Innenkühlung lässt sich auch dadurch verbessern, wenn gemäss einer ande­ ren bevorzugten Ausführungsform in den Innenkühlungskanälen zur Vergrösse­ rung der Wärmeübergangsfläche erste Rippen angeordnet sind, wobei insbeson­ dere die ersten Rippen in Strömungsrichtung alternierend als aussenliegende Rip­ pen und innenliegende Rippen ausgebildet sind, und die innenliegenden Rippen eine grössere Höhe und/oder Breite aufweisen als die aussenliegenden Rippen.
Eine weitere Erhöhung der Kühlwirkung im Inneren wird erreicht, wenn gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Versorgung der Innenkühlungskanäle erste Prallkühlungsbohrungen vorgesehen sind, durch wel­ che das Kühlfluid in Form von Prallstrahlen in die Innenkühlungskanäle eintritt.
Auch kann zusätzlich zu den Innenkühlungskanälen in der Schaufelnase ein Kühl­ kanal angeordnet sein, welcher durch zweite Prallkühlungsbohrungen mit Kühlfluid beaufschlagt wird, wobei vorzugsweise von dem Kühlkanal zweite Filmkühlungs­ bohrungen zur Schaufeloberfläche geführt sind, die zweiten Prallkühlungsbohrun­ gen und die zweiten Filmkühlungsbohrungen alternierend angeordnet sind, und zwischen den zweiten Prallkühlungsbohrungen und den zweiten Filmkühlungsboh­ rungen zur Erhöhung der Wärmeübergangsfläche und zur Trennung der zu den zweiten Prallkühlungsbohrungen und den zweiten Filmkühlungsbohrungen gehö­ renden Gebiete des Kühlkanals zweite Rippen angeordnet sind.
Die Innenkühlungskanäle können axial verlaufen und die Filmkühlungsbohrungen jeweils von einem zugehörigen Innenkühlungskanal unter einem Winkel in radialer Richtung abgehen. Es ist aber auch denkbar, dass die Innenkühlungskanäle axial verlaufen, dass die Enden der Innenkühlungskanäle durch radiale Kanäle verbun­ den sind, und dass die Filmkühlungsbohrungen jeweils zwischen den Innenküh­ lungskanälen angeordnet sind und von den radialen Kanälen ausgehen. Weiterhin ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass die Innenkühlungskanäle unter ei­ nem Winkel in radialer Richtung verlaufen und die Filmkühlungsbohrungen jeweils von einem zugehörigen Innenkühlungskanal in axialer Richtung abgehen, oder dass die Innenkühlungskanäle unter einem ersten Winkel in radialer Richtung ver­ laufen und die Filmkühlungsbohrungen jeweils von einem zugehörigen Innenküh­ lungskanal unter einem zweiten Winkel in radialer Richtung abgehen. In allen Fäl­ len sind die Filmaustrittsflächen versetzt zu den konvektiven Innenkühlungskanä­ len angeordnet, so dass die Innenkühlung gerade dort stattfindet, wo die Filmküh­ lung weniger wirksam ist.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam­ menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einem Querschnitt des Randbereichs ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen einzelnen Innenkühlungskanal mit im Gegenstrom zur Heissgasströmung geführten Kühlfluid ohne und mit zusätzlichen turbulenzerzeugenden Mitteln bei einer Schaufel nach der Erfindung;
Fig. 2 ein zu Fig. 1 vergleichbares Ausführungsbeispiel mit Kavitäten in den Innenkühlungskanälen zur Einstellung des Kühlfluid-Massen­ stromes;
Fig. 3 ein zu Fig. 1 vergleichbares Ausführungsbeispiel mit zusätzlichen Rippen im Innenkühlungskanal zur Vergrösserung der Wärme­ übergangsfläche;
Fig. 4 im Querschnitt der Vorderkantenbereich einer gekühlten Schaufel gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zu­ sätzlichem Kühlkanal in der Schaufelnase;
Fig. 5 in einem vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 4 die Schaufelnase mit zusätzlichen unterteilenden Rippen im kantennahen Kühlkanal;
Fig. 6-9 verschiedene Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemässe (versetzte) Anordnung von Innenkühlungskanälen und Filmküh­ lungsbohrungen in radialer Richtung der Schaufel bei einer Schau­ fel nach der Erfindung;
Fig. 10 zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Anordnung von mehreren Filmkühlungsbohrungen pro Innenkühlungskanal bei ei­ ner erfindungsgemässen Schaufel;
Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaufel mit ei­ ner Umlenkung der Fluidströmung in den Gegenstrom durch die spezielle Führung der Innenkühlungskanäle; und
Fig. 12 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schau­ fel mit einer Umlenkung der Fluidströmung durch die Positionie­ rung der Zuführungen (Prallkühlungsbohrungen) für das Kühlfluid zu den Innenkühlungskanälen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist für eine Schaufel nach der Erfindung in einem Querschnitt des Rand­ bereichs ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen einzelnen Innen­ kühlungskanal mit im Gegenstrom zur Heissgasströmung geführten Kühlfluid ohne und mit zusätzlichen turbulenzerzeugenden Mitteln dargestellt. Die Schaufel 10 ist mit ihrer Schaufeloberfläche 11 einer Heissgasströmung 18 (langer Pfeil von rechts nach links zeigend) ausgesetzt. Unterhalb der Schaufeloberfläche 11 sind - von der Schaufeloberfläche 11 nur durch eine dünne Wand 12 der Dicke D ge­ trennt - parallel zur Schaufeloberfläche 11 verlaufende Innenkühlungskanäle 14 angeordnet. Den Innenkühlungskanälen 14 wird am einen Ende vorzugsweise über Prallkühlungsbohrungen 13 ein Kühlfluid - vorzugsweise Kühlluft - zugeführt. Das Kühlfluid durchläuft dann im Gegenstrom zur (äusseren) Heissgasströmung 18 die Innenkühlungskanäle 14. Es wird in einem am anderen Ende der Innen­ kühlungskanäle 14 befindlichen Umlenkraum 15 umgelenkt, und verlässt die Schaufel 10 durch vom Umlenkraum 15 in Richtung der Heissgasströmung 18 ausgehende Filmkühlungsbohrungen 16 als Filmströmung 17, um an der Schau­ feloberfläche 11 einen kühlenden Film zu bilden. Die Innenkühlungskanäle 14 können dabei glatte Wände aufweisen, aber auch - wie in Fig. 1 rechts zu sehen - mit an sich bekannten turbulenzerzeugenden Elementen 19, 19' ausgestattet sein.
Dieser Art der Kühlung liegt die Idee zugrunde, das Kühlfluid zunächst im Gegen­ strom zur Heissgasströmung 18 in wandnahen konvektiven Kanälen, die in der Gesamtstruktur integriert sind und die mit turbulenzerzeugenden Vorrichtungen versehen sein können, zu führen, bevor das Kühlfluid zur Filmkühlung verwendet wird. Dadurch werden sehr gleichmässige Temperaturverteilungen erzeugt, was für die angestrebten geringen Wandstärken D und den damit verbundenen gerin­ gen Wandwärmewiderstand sehr wichtig ist, da der Temperaturausgleich durch Wärmeleitung in der Wand 12 bei geringen Wandstärken behindert ist. Weiterhin kann durch die automatisch vorhandene Umlenkung des Kühlfluids ein Impuls aufgebracht werden, der - wie eingangs bereits erwähnt wurde - vorteilhaft für die Kühlwirkung des sich auf der Oberfläche ausbildenden Kühlfilms ist.
Die konvektiv gekühlten Innenkühlungskanäle 14 können gemäss Fig. 2 weiterhin mit grösseren Kavitäten 21 versehen werden, durch die eine Einstellung des Fluid­ drucks ermöglicht wird, um die Filmkühleffektivität zu verbessern und den ge­ wünschten Kühlfluidmassenstrom einzustellen.
Eine weitere Variante, durch die der Fluiddruck eingestellt werden und die zur Wärmeabgabe notwendige Oberfläche vergrössert sowie die Turbulenz und damit der Wärmeübergang erhöht werden kann, zeigt Fig. 3. Die integralen konvektiven Innenkühlungskanäle 14 werden dabei serpentinenartig um innen und aussen lie­ gende Rippen 23 bzw. 22 geführt. Der Innenkühlungskanal wird wiederum von ei­ ner (oder mehreren) Prallkühlungsbohrung(en) 13 mit Kühlfluid gespeist. Das Kühlfluid wird dann als Kühlfilm (durch die Filmkühlungsbohrungen 16, die in Strö­ mungsrichtung und/oder in lateraler Richtung gewinkelt und mit Diffusorerweite­ rungen versehen sein können) im Gegenstrom auf die äussere Schaufeloberfläche 11 gebracht. Die innen liegenden Rippen 23 sollten wegen der unterschiedlichen Temperaturverhältnisse vorzugsweise grösser in Höhe und/oder Breite ausgebil­ det sein als die aussen liegenden Rippen 22.
Eine besonders effektive Kühlung kann man mit dieser Kühlgeometrie gemäss Fig. 4 im Vorderkantenbereich einer Gasturbinenschaufel erreichen, wobei eine Kombination mit einer prallgekühlten (und eventuell filmgekühlten) Schaufelnase 43, wie sie in der Patentschrift EP-A1-0 892 151 beschrieben ist, möglich ist. In den Wänden der Schaufel 40 sind hierbei mehrere der bereits beschriebenen Kühleinrichtungen 44, . ., 46 untergebracht, die jeweils Innenbohrungen 14 umfas­ sen, die eingangsseitig im Gegenstrom über Prallkühlungsbohrungen 13 aus ei­ nem (radialen) Hauptkanal 50 mit Kühlfluid versorgt werden, und das Kühlfluid ausgangsseitig über Umlenkräume 15 und Filmkühlungsbohrungen 16 auf die Schaufeloberfläche (Druckfläche 41 oder Saugfläche 42) als Kühlfilm austreten lassen. In der Schaufelnase 43 ist zur Kühlung ein Kühlkanal 47 vorgesehen, der aus dem Hauptkanal 50 durch Prallkühlungsbohrungen 49 versorgt wird und das Kühlfluid über Filmkühlungsbohrungen 48 nach aussen abgibt.
Die angegebene Konfiguration kann dabei gemäss Fig. 5 mit den vorher beschrie­ benen aussen liegenden Rippen 51 vorteilhaft erweitert werden. Diese Rippen 51, die in radialer Richtung auch unterbrochen sein können und dann Rippensegmen­ te (oder Pins) darstellen, erhöhen die wärmeabgebende Oberfläche und separie­ ren die Oberflächen, auf die die Prallstrahlen aus den Prallkühlungsbohrungen 49 auftreffen, von den Kavitäten, von denen die Filmkühlungsbohrungen 48 ausge­ hen. Die Filmkühlungsbohrungen 48 können dabei unter einem Winkel in radialer Richtung (senkrecht zur Zeichenfläche der Fig. 5) angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, dass das Kühlfluid die gesamte zur Verfügung stehende wärmeabgeben­ de Oberfläche überstreicht und eine hohe Kühleffektivität erreicht wird.
Die angegebenen Anordnungen ermöglichen eine homogene Materialtemperatur­ verteilung, in der Strömungsrichtung der Heissgasströmung 18, d. h., in axialer Richtung der Gasturbine. Wesentlich für die Erfindung ist es jedoch, zur Erhöhung der Lebensdauer einer Gasturbinenschaufel auch eine homogene Verteilung in ra­ dialer Erstreckung (senkrecht zur Zeichenebene in den Fig. 1 bis 5) zu erreichen. Dies wird durch die erfindungsgemässe spezielle Anordnung von Innenkühlungs­ kanälen und Filmkühlungsbohrungen sichergestellt. Wesentlich ist dabei, Anord­ nungen zu haben, bei denen die Filmaustrittsflächen (Austrittsöffnungen der Film­ kühlungsbohrungen) versetzt zu den konvektiven Innenkühlungskanälen angeord­ net sind. Da die Kühlwirkung der Filmkühlung zwischen den Bohrungen geringer als in axialer Richtung hinter den Bohrungen ist, kann in diesen Zwischenberei­ chen die Kühlwirkung der Innenkühlung ausgenutzt werden.
Die Fig. 6-9 zeigen mögliche prinzipielle Anordnungen, die dieser Idee folgen. In Fig. 6 sind in radialer Richtung 52 der Schaufel mehrere Innenkühlungsboh­ rungen 141, . ., 143 übereinander und parallel zueinander in gleichmässigem Ab­ stand in axialer Richtung (parallel zur Heissgasströmung 18) verlaufend angeord­ net. Von den ausgangsseitigen Enden der Innenkühlungskanäle 141, . ., 143 gehen Filmkühlungsbohrungen 161, . ., 163 zur Schaufeloberfläche, die in der Zeichen­ ebene liegt. Die Filmkühlungsbohrungen 161, . ., 163 sind unter einem Winkel in ra­ dialer Richtung eingebracht, so dass ihre (ovalen) Filmaustrittsöffnungen jeweils zwischen den in der Wand liegenden Innenkühlungskanälen 141, . ., 143 angeord­ net sind.
In Fig. 7 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Enden der axial in der Wand ver­ laufenden Innenkühlungskanäle 141, . ., 143 durch radiale Kanäle 24 verbunden sind. Zwischen den Innenkühlungskanälen 141, . ., 143 sind von den radialen Ka­ nälen 24 ausgehend die Filmkühlungsbohrungen 161, . ., 163 eingebracht, die par­ allel zu den Innenkühlungskanälen 141, . ., 143 verlaufen.
Eine weitere Möglichkeit zeigt Fig. 8. Die Innenkühlungskanäle 141, . ., 143 sind in diesem Fall unter einem Winkel in radialer Richtung in die Schaufelwand einge­ bracht, während die von ihnen abgehenden Filmkühlungsbohrungen 161, . ., 163 axial verlaufen. Kombinationen dieser Anordnungen sind denkbar, wie z. B. in Fig. 9 gezeigt. Dabei sind sowohl die Innenkühlungskanäle 141, . ., 143 als auch die Filmkühlungsbohrungen 161, . ., 163 unter einem zugehörigen Winkel in radialer Richtung eingebracht. Die entstehende Matrixstruktur ist besonders effektiv für eine Homogenisierung der Materialtemperatur in radialer Richtung. In allen Fällen sind dabei auch mehrere Filmkühlungsbohrungen 161, . ., 161" bzw. 162, . ., 162" pro Innenkühlungskanal 141 bzw. 142 denkbar, wie dies in Fig. 10 für angewinkelte Kanäle und axiale Bohrungen (Teilfigur A; vergleichbar zu Fig. 8) bzw. für ange­ winkelte Kanäle und angewinkelte Bohrungen (Teilfigur B; vergleichbar zu Fig. 9) dargestellt ist. Dies ist natürlich auch für die anderen beschriebenen Anordnungen möglich.
Das erfindungsgemässe Gegenstromprinzip zur Homogenisierung der Wandtem­ peratur in axialer und radialer Richtung kann auch, wie in den Fig. 11 und 12 an­ gegeben, durch die konvektiven Innenkühlungskanäle 141, . ., 143 selbst verwirk­ licht werden. Dabei wird für die Innenkühlluft der Gegenstrom entweder durch Umlenkungen 53, 54 (Fig. 11) oder durch Zuführung und Abführung des Kühlme­ diums (z. B. über Prallkühlungsbohrungen und die Filmkühlungsbohrungen, wie oben beschrieben) an unterschiedlichen axialen Positionen erreicht (Fig. 12).
BEZUGSZEICHENLISTE
10
,
20
,
30
Schaufel (Gasturbine)
11
Schaufeloberfläche
12
Wand
13
Prallkühlungsbohrung
14
Innenkühlungskanal
15
Umlenkraum
16
Filmkühlungsbohrung
17
Filmströmung
18
Heissgasströmung
19
,
19
' turbulenzerzeugendes Element
21
Kavität
22
,
23
Rippe
24
radialer Kanal
40
Schaufel (Gasturbine)
41
Druckfläche
42
Saugfläche
43
Schaufelnase
44, . ., 46 Kühleinrichtung
47
Kühlkanal
48
Filmkühlungsbohrung
49
Prallkühlungsbohrung
50
Hauptkanal
51
Rippe bzw. Rippensegment
52
radiale Richtung (Schaufel)
53
,
54
Umlenkung
141, . ., 143 Innenkühlungskanal
161, . ., 163 Filmkühlungsbohrung
161
',
161
" Filmkühlungsbohrung
162
',
162
" Filmkühlungsbohrung
D Dicke (Wand)

Claims (16)

1. Gekühlte Schaufel (10, 20, 30, 40) für eine Gasturbine, bei welcher Schaufel (10, 20, 30, 40) ein Kühlfluid, vorzugsweise Kühlluft, zur konvektiven Kühlung durch wandnahe Innenkühlungskanäle (14; 141, . ., 143) strömt und an­ schliessend zur äusseren Filmkühlung durch erste Filmkühlungsbohrungen (16; 161, . ., 163; 161', 161"; 162', 162") auf die Schaufeloberfläche (11) gelenkt wird, wobei die Fluidströmung zumindest in einem Teil der Innenkühlungskanäle (14; 141, . ., 143) im Gegenstrom zu der die Schaufel (10, 20, 30, 40) umströmenden Heissgasströmung (18) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung in der Schaufel (10, 20, 30) eine Mehrzahl von Innenkühlungskanälen (141, . ., 143) und Filmkühlungsbohrungen (161, . ., 163) übereinander so angeordnet sind, dass die Austrittsöffnungen der Filmkühlungsbohrungen (161, . ., 163) jeweils versetzt zu den Innenkühlungskanälen (141, . ., 143), insbesondere zwischen den Innenkühlungskanälen (141, . ., 143), liegen.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Innen­ kühlungskanälen (14; 141, . ., 143) turbulenzerzeugende Elemente (19, 19') ange­ ordnet sind.
3. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Innenkühlungskanälen (14; 141, . ., 143) zur Einstellung des Kühlfluid­ druckes bzw. des Kühlfluidmassenstromes Kavitäten (21) angeordnet sind.
4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Innenkühlungskanälen (14; 141, . ., 143) zur Vergrösserung der Wär­ meübergangsfläche erste Rippen (22, 23) angeordnet sind.
5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rippen (22, 23) in Strömungsrichtung alternierend als aussenliegende Rippen (22) und innenliegende Rippen (23) ausgebildet sind, und dass die innenliegenden Rippen (23) vorzugsweise eine grössere Höhe und/oder Breite aufweisen als die aussenliegenden Rippen (22).
6. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung der Innenkühlungskanäle (14; 141, . ., 143) erste Prallküh­ lungsbohrungen (13) vorgesehen sind, durch welche das Kühlfluid in Form von Prallstrahlen in die Innenkühlungskanäle (14; 141, . ., 143) eintritt.
7. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid vor dem Austreten aus den ersten Filmkühlungsbohrungen (16; 161, . ., 163; 161', 161"; 162', 162") in Richtung der Heissgasströmung (18) umge­ lenkt wird.
8. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Innenkühlungskanälen (14; 141, . ., 143) in der Schaufelnase (43) ein Kühlkanal (47) angeordnet ist, welcher durch zweite Prallkühlungsbohrun­ gen (49) mit Kühlfluid beaufschlagt wird.
9. Schaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Kühlkanal (47) zweite Filmkühlungsbohrungen (48) zur Schaufeloberfläche (11) geführt sind, dass die zweiten Prallkühlungsbohrungen (49) und die zweiten Film­ kühlungsbohrungen (48) alternierend angeordnet sind, und dass zwischen den zweiten Prallkühlungsbohrungen (49) und den zweiten Filmkühlungsbohrungen (48) zur Erhöhung der Wärmeübergangsfläche und zur Trennung der zu den zweiten Prallkühlungsbohrungen (49) und den zweiten Filmkühlungsbohrungen (48) gehörenden Gebiete des Kühlkanals (47) zweite Rippen oder Rippenseg­ mente (51) angeordnet sind.
10. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkühlungskanäle (141, . ., 143) axial verlaufen und die Filmkühlungs­ bohrungen (161, . ., 163) jeweils von einem zugehörigen Innenkühlungskanal (141, . ., 143) unter einem Winkel in radialer Richtung abgehen.
11. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkühlungskanäle (141, . ., 143) axial verlaufen, dass die Enden der Innenkühlungskanäle (141, . ., 143) durch radiale Kanäle (24) verbunden sind, und dass die Filmkühlungsbohrungen (161, . ., 163) jeweils zwischen den Innenküh­ lungskanälen (141, . ., 143) angeordnet sind und von den radialen Kanälen (24) aus­ gehen.
12. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkühlungskanäle (141, . ., 143) unter einem Winkel in radialer Richtung verlaufen und die Filmkühlungsbohrungen (161, . ., 163) jeweils von einem zugehö­ rigen Innenkühlungskanal (141, . ., 143) in axialer Richtung abgehen.
13. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkühlungskanäle (141, . ., 143) unter einem ersten Winkel in radialer Richtung verlaufen und die Filmkühlungsbohrungen (161, . ., 163) jeweils von einem zugehörigen Innenkühlungskanal (141, . ., 143) unter einem zweiten Winkel in radia­ ler Richtung abgehen.
14. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Innekühlkanal (141, 142) jeweils mehrere Filmkühlungsbohrungen (161, . ., 161"; 162, . ., 162") über die Kanallänge verteilt abgehen.
15. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Gegenströmung in den Innenkühlungskanälen (141, 142) Umlenkungen (53, 54) vorgesehen sind.
16. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Gegenströmung das Kühlmedium den Innenkühlungska­ nälen (142, . ., 143) an unterschiedlichen axialen Positionen zugeführt wird.
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