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WO2008092725A1 - Turbinenschaufel - Google Patents

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Publication number
WO2008092725A1
WO2008092725A1 PCT/EP2008/050325 EP2008050325W WO2008092725A1 WO 2008092725 A1 WO2008092725 A1 WO 2008092725A1 EP 2008050325 W EP2008050325 W EP 2008050325W WO 2008092725 A1 WO2008092725 A1 WO 2008092725A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
support structure
turbine blade
sheath
blade
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/050325
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Scarlett Fajardo-Reina
Markus Gill
Stefan Werner Kiliani
Silvio-Ulrich Martin
Ralf Müsgen
Oliver Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to US12/525,156 priority Critical patent/US8267659B2/en
Priority to JP2009547622A priority patent/JP4959811B2/ja
Priority to CN200880003931XA priority patent/CN101600853B/zh
Priority to EP08701454A priority patent/EP2126286A1/de
Publication of WO2008092725A1 publication Critical patent/WO2008092725A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • F01D5/181—Blades having a closed internal cavity containing a cooling medium, e.g. sodium
    • 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
    • F01D5/182—Transpiration cooling
    • 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
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05D2230/237—Brazing
    • 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
    • F05D2230/00—Manufacture
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    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05D2230/238—Soldering
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/24—Rotors for turbines
    • F05D2240/241—Rotors for turbines of impulse type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49339—Hollow blade
    • Y10T29/49341—Hollow blade with cooling passage

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade according to the
  • Turbine blades in particular turbine blades for gas turbines, are exposed to high temperatures during operation, which may also exceed the limit of material stress. This applies in particular to the regions in the vicinity of the flow inlet edge of the turbine blades.
  • turbine blades In order to use turbine blades even at high temperatures, it has long been known to cool turbine blades suitable, so that they have a higher temperature resistance, the importance of blade cooling, especially in gas turbines due to the increasing gas turbine inlet temperatures steadily increases. With turbine blades, which have a higher temperature resistance, higher energy efficiencies can be achieved in particular.
  • Known types of cooling include convection cooling, impingement cooling, and film cooling, and convection cooling is arguably the most common type of blade cooling, with cooling air passing through channels in the interior of the blade
  • impingement cooling a stream of cooling air impinges on the surface of the blade from the inside, thus enabling a very good cooling effect at the point of impact, but only at the narrow area of the point of impact and the surrounding area
  • This type of cooling is therefore mostly used for cooling the flow inlet edge of a turbine blade, which is exposed locally to high temperature loads. Fei led to the outside.
  • This cooling air flows around the turbine blade and forms an insulating layer between the hot process gas and the blade surface.
  • the types of cooling described are suitably combined depending on the application in order to achieve the most effective blade cooling possible.
  • a collision cooled leading edge of a turbine blade from US 6,238,182 is known.
  • the turbine blade comprises a cast airfoil profile with a comparatively thick profile wall in which a thin-walled impingement cooling insert is inserted.
  • the impingement cooling insert is supported by a plurality of, in each case pointed, ribs on these opposite ribs, which in turn are provided on the inner sides of the profile wall.
  • the rib pairs formed in this way are soldered together, so that enclose this chamber.
  • the blade is cast including a shroud, for example in the form of a shovel, and cooling channels. Additional coatings are applied by coating methods.
  • the production of the cooling channels formed in known turbine blades by means of a casting process is very complicated and cost-intensive.
  • the sheathing preferably in the form of a blade shroud, is used only to transmit the aerodynamic forces in the case of flow around the turbine blade into an underlying support structure via the spacer elements according to the invention.
  • the support structure essentially carries the sheath and takes over the sheath and the spacer elements transmitted
  • the support structure also assumes the centrifugal force effect by rotation.
  • the invention differs from the already known turbine blade of US Pat. No. 6,238,182, in which only the airfoil profile itself is designed to be load-bearing and the insert assumes only a function which ensures distance-baffling for the baffle cooling.
  • the transmission of the forces takes place via the multiplicity of areally arranged spacer elements which in each case selectively connect the sheathing to the carrier structure. Due to the planar arrangement of the spacer elements, the sheath can be supported at a plurality of points, which allows a particularly thin and therefore particularly coolable sheath. According to the invention, the intermediate space forming through the spacing can be traversed with a cooling medium, preferably in the form of a gas or fluid, in order to achieve effective cooling of the jacket by convection cooling when using the turbine blade. Heat energy of the sheath is transferred according to the invention only via the spacer elements in the support structure. This has the advantage that excessive heating of the support structure as a result of the heating of the sheath is avoided according to the invention.
  • the turbine blade according to the invention can be made simpler in comparison to known turbine blades, since no casting mold has to be provided that is correspondingly elaborately designed to form cooling channels. It is only necessary to create a connection between the support structure and the sheathing over the spacer elements according to the invention, in order to form a flow-through cooling channel in the form of the intermediate space according to the invention.
  • a turbine blade designed for convention cooling which, in addition to a simple production, in particular has the advantage of significantly improving the heat dissipation and heat transfer to the cooling medium, also through the plurality of surfaces
  • the spacer elements are distributed uniformly between the sheathing and the support structure.
  • the spacer elements are each formed in the form of a solder ball, which are connected by soldering, in particular soldering, with the support structure and the sheath. According to the invention, therefore, a connection of the casing with the carrier structure by soldering, preferably at individual points.
  • the solder consists according to the invention of small solder balls that do not melt completely during the soldering process, but only partially.
  • solder balls are often referred to in electrical engineering by the term "ball grid.”
  • the solder balls form a large surface so that heat can be transferred directly to the cooling medium flowing through the intermediate space.
  • the surface area of the spacer elements that is to be surrounded by coolant also increases overall, which on the one hand reduces cooling and on the other hand Connection of the sheathing to the support structure improved. The better connection in turn allows a stiffer or thinner sheath.
  • the intermediate space between the casing and the planar carrier structure is formed in the manner of a gap, wherein the latter - seen in cross-section from the flow inlet edge to the trailing edge - has a substantially constant gap dimension.
  • this makes it possible to achieve a particularly low-loss flow through the gap with cooling air for convective cooling of the sheath.
  • the turbine blade has a blade root, which is designed in such a way that the intermediate space can be flowed through by cooling medium, starting from the blade root.
  • the invention further relates to a method for producing a turbine blade according to the invention, which has a carrier structure and a casing surrounding the carrier structure, which is connected to the carrier structure at a distance, in which the casing is soldered to the carrier structure at at least one point of the carrier structure the sheath spaced to connect to the support structure, wherein the sheath is selectively connected to the support structure by the spacer element and the spacers are arranged distributed over a surface.
  • FIG. 2 a perspective partial view of a casing of the turbine blade in the form of a blade skirt together with connecting solder balls
  • FIG 3 shows an enlarged sectional view of a connection between the casing and the carrier structure by means of solder balls according to the invention.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a turbine blade 10 according to the invention with a flow inlet edge that is rounded in cross section and an acute flow trailing edge.
  • the turbine blade 10 comprises a solid or hollow support structure 12, a sheath in Shape of a thin-walled blade skirt 14, which is connected by solder balls 16 with the support structure 12 spaced to form a gap 18 in the form of a narrow gap, which is traversed by a cooling medium.
  • the support structure 12 in the region which lies opposite the jacket 14 on the inside is formed in a planar manner and thereby curved in accordance with the aerodynamically profiled shape of the jacket 14.
  • the vane shirt 14 serves to transmit the aerodynamic forces forming on the flow of the vane neck 14 to the carrier structure 12.
  • the support structure 12 is designed such that it can forward the transmitted forces to a blade carrier, not shown, to which the support structure 12 is attached. The connection over the multiplicity of
  • Lotkugeln 16 which are referred to in the jargon of electrical engineering as a "ball grid" is carried out by appropriate soldering at individual points of the support structure 12 and the blade 14, the solder balls 16 do not completely melt during the soldering process.
  • the blade 14 When flowing through the gap 18 with a cooling medium, the blade 14 can be effectively convectively cooled by heat energy of the blade 14 is dissipated via the flowing cooling medium. Since heat transfer between the blade skirt 14 and the support structure 12 can only take place via the solder balls 16, the support structure 12 is only slightly heated by a heated blade skirt 14. Most of the heat energy of the blade 14 is dissipated via the cooling medium, wherein the solder balls 16 form a large surface, which transfers heat energy directly to the cooling medium.
  • FIG. 2 shows a casing of the turbine blade 10 in the form of a blade skirt 14 together with the connecting blades
  • solder balls 16 are provided only at individual, spaced-apart locations in order to ensure the most effective connection between the Sustruk-
  • the solder balls 16 are arranged flat in the manner of a uniform grid between the casing 14 and the support structure 12, whereby a uniform application of force from the force acting on the casing 14 Flow forces in the support structure 12 can take place.
  • the forces to be transmitted by each solder ball 16 can be comparatively small.
  • solder balls 12 can be made comparatively small.
  • FIG. 3 shows an enlarged sectional view of a connection between the blade 14 and the blade

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Eine Turbinenschaufel (10), mit einer Trägerstruktur (12) und einer die Trägerstruktur (12) umgebenden Ummantelung (14), die mit der Trägerstruktur (12) durch wenigstens ein Abstandselement (16), z.B. Lotkugeln, beabstandet verbunden ist, um zwischen der Trägerstruktur (12) und der Ummantelung (14) einen Zwischenraum (18) auszubilden, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (10), die eine Trägerstruktur (12) und eine die Trägerstruktur (12) umgebende Ummantelung (14) aufweist, die mit der Trägerstruktur (12) beabstandet verbunden ist, bei dem die Ummantelung (14) an wenigstens einer Stelle der Trägerstruktur (12) auf die Trägerstruktur (12) gelötet wird, um die Ummantelung (14) beabstandet mit der Trägerstruktur (12) zu verbinden.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Turbinenschaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln für Gastur- binen, werden während des Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzt, welche unter Umständen auch die Grenze der Materialbeanspruchung überschreiten. Dies gilt insbesondere für die Bereiche in Umgebung der Strömungseintrittskante der Turbinenschaufeln. Um Turbinenschaufeln auch bei hohen Temperaturen nutzen zu können, ist es schon seit langem bekannt, Turbinenschaufeln geeignet zu kühlen, so dass sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, wobei die Bedeutung der Schaufelkühlung insbesondere bei Gasturbinen aufgrund der zunehmenden Gasturbinen-Eintrittstemperaturen stetig zunimmt. Mit Turbinenschaufeln, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, lassen sich insbesondere höhere energetische Wirkungsgrade erzielen.
Bekannte Kühlarten sind unter anderem die Konvektionskühlung, die Prallkühlung (,,Impingement"-Kühlung) und die Filmkühlung. Bei der Konvektionskühlung handelt es sich wohl um die am weitesten verbreitete Art der Schaufelkühlung. Bei dieser Kühlungsart führt man Kühlluft durch Kanäle im Schaufelinneren und nutzt den konvektiven Effekt, um die Wärme abzufüh- ren. Bei der Prallkühlung prallt ein Kühlluftstrom von innen auf die Schaufeloberfläche. Auf diese Weise wird im Auftreff- punkt eine sehr gute Kühlwirkung ermöglicht, die allerdings nur auf den engen Bereich des Auftreffpunkts und die nähere Umgebung beschränkt ist. Diese Art der Kühlung wird deshalb meist zur Kühlung der Strömungseintrittskante einer Turbinenschaufel verwendet, die lokal hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt ist. Bei der Filmkühlung wird Kühlluft über Öffnungen in der Turbinenschaufel vom Inneren der Turbinenschau- fei nach außen geführt. Diese Kühlluft umströmt die Turbinenschaufel und bildet eine isolierende Schicht zwischen dem heißen Prozessgas und der Schaufeloberfläche aus. Die beschriebenen Kühlarten werden je nach Anwendungsfall geeignet kombiniert, um eine möglichst wirksame Schaufelkühlung zu erzielen .
Beispielsweise ist eine prallgekühlte Eintrittskante einer Turbinenschaufel aus der US 6,238,182 bekannt. Die Turbinenschaufel umfasst ein gegossenes Schaufelblattprofil mit einer vergleichsweise dicken Profilwand, in der ein dünnwandiger Prallkühleinsatz eingesetzt ist. Der Prallkühleinsatz stützt sich über mehrere, jeweils spitz zulaufende Rippen an diesen gegenüberliegenden Rippen ab, welche ihrerseits an den Innenseiten der Profilwand vorgesehen sind. Die so gebildeten Rippenpaare sind dabei miteinander verlötet, so dass diese Kammer einschließen.
Zur Realisierung einer Konvektionskühlung wird bei zurzeit bekannten Turbinenschaufeln-Designs die Schaufel einschließlich einer Ummantelung, beispielsweise in Form eines Schaufelhemds, und Kühlkanälen gegossen. Zusätzliche Beschichtun- gen werden durch Beschichtungsverfahren aufgebracht. Hierbei ist insbesondere die mittels eines Gießverfahrens vorgenom- mene Herstellung der in bekannten Turbinenschaufeln ausgebildeten Kühlkanäle sehr aufwendig und kostenintensiv.
Neben einer im Gießverfahren hergestellten Turbinenschaufel ist aus der US 2,906,495 auch bekannt, rein konvektiv kühlbare Turbinenschaufeln aus einer Stützstruktur und einer Ummantelung zusammenzusetzen. Die Stützstruktur ist dabei wellenartig ausgebildet. Die Wellentäler und die Wellenberge sind entweder mit der Saugseite oder mit der Druckseite eines von einem Mantelblech gebildetem Schaufelblattprofils verlötet, wodurch sich entlang des Schaufelblattprofils mehrere Kühlkanäle linear erstrecken. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel anzugeben, mit der eine sehr wirksame Konventionskühlung möglich ist, und die zudem im Vergleich zu bekannten Turbinenschaufeln einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann .
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, bei der die Ummantelung mit der Trägerstruktur durch die Abstandselemente jeweils punktuell verbunden ist und bei der die
Abstandselemente flächig verteilt angeordnet sind.
Bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel wird die Ummantelung, vorzugsweise in Form eines Schaufelhemds, nur zur Über- tragung der aerodynamischen Kräfte bei Umströmung bzw. Anströmung der Turbinenschaufel in eine darunter flächige liegende Trägerstruktur über die erfindungsgemäßen Abstandselemente genutzt. Die Trägerstruktur trägt im Wesentlichen die Ummantelung und übernimmt die über die Ummantelung und über die Abstandelemente übertragenen
Strömungskräfte. Sofern die erfindungsgemäße Turbinenschaufel auch als Laufschaufel zum Einsatz kommt, übernimmt die Trägerstruktur auch die Fliehkraftwirkung durch Rotation. Insofern unterscheidet sich der Erfindung von der bereits bekannten Turbinenschaufel der US 6,238,182, bei welcher nur das Schaufelblattprofil selber tragend ausgebildet ist und der Einsatz ausschließlich eine für die Prallkühlung abstandswahrende Funktion übernimmt.
Die Übertragung der Kräfte erfolgt über die Vielzahl von flächig angeordneten Abstandselementen, welche jeweils die Ummantelung mit der Trägerstruktur punktuell verbinden. Durch die flächige Anordnung der Abstandselemente kann die Ummantelung an einer Vielzahl an Stellen abgestützt werden, was eine besonders dünne und somit besonders gut kühlbare Ummantelung ermöglicht. Der sich durch die Beabstandung ausbildende Zwischenraum ist erfindungsgemäß mit einem Kühlmedium, vorzugsweise in Form eines Gases bzw. Fluids, durchströmbar, um bei Einsatz der Turbinenschaufel eine wirksame Kühlung der Ummantelung durch Konvektionskühlung zu erzielen. Wärmeenergie der Ummantelung wird erfindungsgemäß lediglich über die Abstandselemente in die Trägerstruktur überführt. Dies hat den Vorteil, dass eine übermäßige Erwärmung der Trägerstruktur als Folge der Erwärmung der Ummantelung erfindungsgemäß vermieden wird.
Durch die erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann gegenüber bekannten Lösungen eine bessere Trennung der Aufgaben Strö- mungsumlenkung und Übertragung der Kräfte bereitgestellt werden, so dass die Komplexität der Aufgaben abnimmt. Durch die thermische und mechanische Entkopplung wird es möglich, auch ungewöhnliche Materialkombinationen effektiv zu verbinden, was bei bekannten Turbinenschaufeln, die einschließlich Ummantelung und Kühlkanälen gegossen sind, nicht ohne weiteres einfach möglich ist.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Turbinenschaufel im Vergleich zu bekannten Turbinenschaufeln einfacher hergestellt werden, da keine zur Ausbildung von Kühlkanälen entsprechend aufwendig gestaltete Gießform bereitgestellt werden muss. Es ist lediglich erforderlich, über die erfindungsgemäßen Abstandselemente eine Verbindung zwischen der Trägerstruktur und der Ummantelung zu schaffen, um einen durchströmbaren Kühlkanal in Form des erfindungsgemäßen Zwischenraums auszubilden.
Erfindungsgemäß wird eine zur Konventionskühlung ausgebildete Turbinenschaufel bereitgestellt, die neben einer einfachen Herstellung insbesondere den Vorteil einer deutlichen Verbesserung der Wärmeabfuhr und Wärmeübertragung an das Kühlmedium auch durch die Vielzahl der flächig angeordneten
Abstandselemente aufweist, deren Oberfläche das Kühlmedium überströmt und dabei gleichzeitig zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten verwirbelt werden kann. Besonders bevorzugt sind die Abstandselemente gleichmäßig zwischen Ummantelung und Trägerstruktur verteilt. Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Abstandselemente jeweils in Form einer Lotkugel ausgebildet, die durch Löten, insbesondere Auflöten, mit der Trägerstruktur und der Ummantelung verbunden sind. Erfindungsgemäß erfolgt also eine Verbindung der Ummantelung mit der Trägerstruktur durch Löten, und zwar bevorzugt an einzelnen Stellen. Das Lot besteht erfindungsgemäß aus kleinen Lotkugeln, die beim Lötvorgang nicht vollständig, sondern nur teilweise aufschmelzen. Diese Lotkugeln werden in der Elektrotechnik häufig mit dem Begriff „Ball-Grid" bezeichnet. Auf diese Weise kann ein Zwischenraum in Form eines engen Spalts zwischen der Ummantelung und der Trägerstruktur ausgebildet werden, wobei Wärme nur an den so gebildeten Lötstellen in die Trägerstruktur überführt werden kann. Die Lotkugeln bilden erfindungsgemäß eine große Oberfläche, so dass Wärme direkt an das den Zwischenraum durchströmende Kühlmedium übertragen werden kann. Mit zunehmender Anzahl von Abstandselementen je Flächeneinheit vergrößert sich auch insgesamt die von Kühlmittel umströmbare Oberfläche der Abstandselemente, was einerseits die Kühlung und andererseits die Anbindung der Ummantelung an die Trägerstruktur verbessert. Die bessere Anbindung ermöglicht ihrerseits wiederum eine steifere oder dünnere Ummantelung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zwischenraum zwischen Ummantelung und flächiger Trägerstruktur spaltartig ausgebildet, wobei dieser - im Querschnitt von Strömungseintrittskante zur Strömungshinterkante gesehen - ein im Wesentlichen gleichbleibendes Spaltmaß aufweist. Insbesondere hierdurch lässt sich eine besonders verlustarme Durchströmung des Zwischenraums mit Kühlluft zur konvektiven Kühlung der Ummantelung erreichen. Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Turbinenschaufel einen Schaufelfuß auf, der derart ausgebildet ist, dass der Zwischenraum ausgehend von dem Schaufelfuß mit Kühlmedium durchströmbar ist. So kann auf praktische Weise eine Durchströmung des erfindungsgemäßen Zwischenraums bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, die eine Träger- struktur und eine die Trägerstruktur umgebende Ummantelung aufweist, die mit der Trägerstruktur beabstandet verbunden ist, bei dem die Ummantelung an wenigstens einer Stelle der Trägerstruktur auf die Trägerstruktur aufgelötet wird, um die Ummantelung beabstandet mit der Trägerstruktur zu verbinden, wobei die Ummantelung mit der Trägerstruktur durch die Abstandselement punktuell verbunden ist und die Abstandselemente flächig verteilt angeordnet sind.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Turbinenschaufel anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei
FIG 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen
Turbinenschaufel, FIG 2 eine perspektivische Teilansicht einer Ummantelung der Turbinenschaufel in Form eines Schaufelhemds zusammen mit verbindenden Lotkugeln, und
FIG 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Verbin- düng zwischen Ummantelung und Trägerstruktur durch erfindungsgemäße Lotkugeln zeigt.
Die FIG 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsge- mäßen Turbinenschaufel 10 mit einer im Querschnitt verrundeten Strömungseintrittskante und einer spitzen Strömungshinterkante. Die Turbinenschaufel 10 umfasst eine massive oder hohle Trägerstruktur 12, eine Ummantelung in Form eines dünnwandigen Schaufelhemds 14, das durch Lotkugeln 16 mit der Trägerstruktur 12 beabstandet verbunden ist, um einem Zwischenraum 18 in Form eines engen Spalts auszubilden, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Zur Bildung eines Spalts mit gleichbleibender Größe ist die Trägerstruktur 12 in dem Bereich, welcher der Ummantelung 14 innen gegenüberliegt, flächig ausgebildet und dabei entsprechend der aerodynamisch profilierten Form der Ummantelung 14 gekrümmt. Das Schaufelhemd 14 dient dazu, die sich bei Anströmung des Schaufelhemds 14 ausbildenden aerodynamischen Kräfte auf die Trägerstruktur 12 zu übertragen. Die Trägerstruktur 12 ist derartig ausgebildet, dass sie die übertragenen Kräfte an einen nicht weiter dargestellten Schaufelträger weiterleiten kann, an der die Trägerstruktur 12 befestigt ist. Die Verbindung über die Vielzahl der
Lotkugeln 16, die im Fachjargon der Elektrotechnik auch als „Ball-Grid" bezeichnet werden, erfolgt durch entsprechendes Auflöten an einzelnen Punkten der Trägerstruktur 12 bzw. des Schaufelhemds 14, wobei die Lotkugeln 16 beim Lötvorgang nicht vollständig aufschmelzen.
Beim Durchströmen des Zwischenraums 18 mit einem Kühlmedium kann das Schaufelhemd 14 wirksam konvektiv gekühlt werden, indem Wärmenergie des Schaufelhemds 14 über das strömende Kühlmedium abgeführt wird. Da ein Wärmeübergang zwischen dem Schaufelhemd 14 und der Trägestruktur 12 nur über die Lotkugeln 16 erfolgen kann, wird die Trägerstruktur 12 durch ein erwärmtes Schaufelhemd 14 nur geringfügig erwärmt. Der größte Teil der Wärmeenergie des Schaufelhemds 14 wird über das Kühlmedium abgeführt, wobei die Lotkugeln 16 eine große Oberfläche bilden, die Wärmenergie direkt an das Kühlmedium überträgt .
Die FIG 2 zeigt eine Ummantelung der Turbinenschaufel 10 in Form eines Schaufelhemds 14 zusammen mit den verbindenden
Lotkugeln 16. Wie ersichtlich, sind die Lotkugeln 16 nur an einzelnen, voneinander beabstandeten Stellen vorgesehen, um eine möglichst wirksame Verbindung zwischen der Trägerstruk- tur 12 und dem Schaufelhemd 14 bereitzustellen, und zwar einhergehend mit einem möglichst strömungsgünstig ausgebildeten Zwischenraum 18. Die Lotkugeln 16 sind flächig nach Art eines gleichmäßigen Rasters zwischen der Ummantelung 14 und der Trägerstruktur 12 angeordnet, wodurch eine gleichmäßige Krafteinleitung von den auf die Ummantelung 14 wirkenden Strömungskräften in die Trägerstruktur 12 erfolgen kann. Zugleich können aufgrund der Verwendung einer Vielzahl von Lotkugeln 16 die von jeder einzelnen Lotkugel 16 zu übertragenen Kräfte vergleichsweise gering sein. Dem zur
Folge können die Lotkugeln 12 vergleichsweise klein ausgelegt werden .
Die FIG 3 zeigt schließlich eine vergrößerte Schnittdarstel- lung einer Verbindung zwischen dem Schaufelhemd 14 und der
Trägerstruktur 12 durch Lotkugeln 16, wobei das Schaufelhemd 14 ferner Durchgangslöcher 20 aufweist, die ergänzend zur Konvektionskühlung der Bereitstellung einer Filmkühlung dienen, derart, dass Kühlmedium über die Durchgangslöcher 20 nach außen strömen kann.
Gleichfalls ist es möglich, mit einer hohlen Trägerstruktur 12 eine Prallkühlung des Schaufelhemdes 14 zu erzielen, wobei der im Inneren der Trägerstruktur 12 vorhandene Hohlraum über geeignete Prallkühlöffnungen mit dem Zwischenraum 18 in Verbindung ist.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (10), mit einer Trägerstruktur (12) und einer die Trägerstruktur (12) umgebenden Ummantelung (14), die mit der Trägerstruktur (12) durch eine Vielzahl von Abstandselementen (16) beabstandet verbunden ist, um zwischen der Trägerstruktur (12) und der Ummantelung (14) einen Zwischenraum (18) auszubilden, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (14) mit der Trägerstruktur (12) durch die Abstandselement (16) punktuell verbunden ist und die Abstandselemente (16) flächig verteilt angeordnet sind.
2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, bei der die flächige Verteilung der Abstandselemente (16) gleichmäßig ist.
3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2 bei der die Abstandselemente jeweils in Form einer Lotkugel (16) ausgebildet sind, die durch Löten mit der Trägerstruk- tur (12) und der Ummantelung (14) verbunden sind.
4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 3, bei dem die Lotkugel (16) nur teilweise aufgeschmolzen ist
5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Zwischenraum (18) spaltartig ausgebildet ist und im Querschnitt von Strömungseintrittskante zur Strömungshinterkante gesehen, ein im Wesentlichen gleichbleibendes Spaltmaß aufweist.
6. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (10) einen Schaufelfuß aufweist, der derart ausgebildet ist, dass der Zwischenraum (18) ausgehend von dem Schaufelfuß mit Kühlmedium durchströmbar ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (10), die eine Trägerstruktur (12) und eine die Trägerstruktur
(12) umgebende Ummantelung (14) aufweist, die mit der Trägerstruktur (12) beabstandet verbunden ist, bei dem die Ummantelung (14) an einer Vielzahl von Stellen der Trägerstruktur (12) auf die Trägerstruktur (12) aufgelötet wird, um die Ummantelung (14) beabstandet mit der Trägerstruktur (12) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (14) mit der Trägerstruktur (12) durch die Abstandselement (16) punktuell verbunden ist und die Abstandselemente (16) flächig verteilt angeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Abstandshalter (16) Lotkugeln (16) umfassen, welche beim Verbinden der Trägerstruktur (12) mit der Ummantelung (14) nur teilweise aufgeschmolzen werden.
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