EP1223308B1 - Turbomachine component - Google Patents
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- EP1223308B1 EP1223308B1 EP01129169A EP01129169A EP1223308B1 EP 1223308 B1 EP1223308 B1 EP 1223308B1 EP 01129169 A EP01129169 A EP 01129169A EP 01129169 A EP01129169 A EP 01129169A EP 1223308 B1 EP1223308 B1 EP 1223308B1
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- EP
- European Patent Office
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- flow
- duct
- cooling
- deflection
- channel
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- Expired - Lifetime
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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
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
- F01D25/12—Cooling
-
- 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
Definitions
- the present invention relates to a component of a turbomachine, in particular a turbine blade, which has a cooling channel through which a cooling medium with at least one deflection formed by the wall of the cooling channel, through which the flow of the cooling medium is deflected from a first channel section into a downstream second channel section , Wherein in the region of the deflection at least one flow guide is arranged in the cooling channel, by which the cooling channel is divided in the deflection in an inner and an outer flow channel.
- cooling air is introduced through the rotor shaft into the blade root and from there into guided inside the airfoil cooling ducts, in which it receives the heat of the turbine blade.
- the heated cooling air is finally blown out through suitably arranged holes and slots in the turbine blade.
- FIG. 1 An exemplary profile of the cooling air ducts in a gas turbine blade (according to Thalin et al., 1982: NASA CR 1656087) is shown in FIG.
- the cooling air enters the turbine blade via the blade root 1, is guided via a cooling channel 2 to the rear side of the blade and finally blown out via corresponding opening slots 3.
- a separate cooling channel 2a is additionally provided, via which a part of the cooling air is guided to the front and tip of the blade in order to exit there via corresponding openings 4.
- the flow profile of the cooling air within the airfoil is indicated by the arrows.
- FIG. 2 schematically shows a section of a cooling air channel 2 with a deflection 5, in which the recirculation areas, i. the areas which generate the high pressure loss are indicated by the reference numeral 6.
- the flow path of the cooling medium is again shown by the arrows.
- the recirculation areas are only slightly flowed through, so here there are areas of low heat transfer.
- the object of the present invention is to specify a component of a turbomachine with improved cooling, in which the pressure loss is reduced in the region of the deflections of the cooling channel and a homogeneous heat transfer is achieved.
- the proposed component of the turbomachine usually a turbine blade, has, in a known manner, a cooling channel, through which a cooling medium can flow, with at least one deflection formed by the wall of the cooling channel, through which the Flow of the cooling medium is deflected from a first channel portion in a downstream second channel section.
- a flow-guiding element for example in the form of a deflection guide plate, is also arranged in the cooling channel in the present component, by which the cooling channel in the deflection is completely divided into an inner and an outer flow channel.
- the present component is characterized in that the inner flow channel has a constriction in the flow cross-section.
- constriction ie a constriction and subsequent re-expansion of the flow cross-section occurs a nozzle effect in the inner flow channel, which increases the heat transfer by the acceleration of the flow in an advantageous manner and simultaneously homogenized.
- the constriction is preferably formed by a suitable shaping or contouring of the flow-guiding element and / or the wall of the cooling channel in the region of the deflection.
- one or more outlet bores for the cooling medium are additionally formed in the wall of the cooling channel, via which a small part of the cooling medium can escape from the cooling channel into the external flow outside the component.
- the proposed solution thus achieves a reduction in the pressure losses in the deflection while simultaneously homogenizing the heat transfer between the cooling medium and the wall material of the component.
- the present embodiment is independent of the further configuration of the component, in particular independent of the rib configuration in the first and second channel section, hereinafter also referred to as inlet and outlet channel, as well as possible curves at the outer edge regions of the deflection. Such details that occur in a variety of gas turbine blades do not affect the beneficial effect of the present invention.
- constriction of the flow cross-section in the inner flow channel of the deflection ie in the flow channel having the shorter flow path in the deflection, on the one hand by appropriate design of the flow, for example, by a thickening, and on the other hand by a corresponding Forming of the flow guide in the inner flow channel opposite channel wall can be achieved.
- constriction can also be achieved by a corresponding shaping of both elements or the further wall regions surrounding the inner flow channel.
- the thickness of the partition increases in the region of the deflection in order to achieve the corresponding constriction within the region due to this increase in thickness to cause internal flow channel.
- the shape of the contour of this partition, which separates the outlet channel from the inlet channel, may be different in order to produce the said effect.
- the flow guide which divides the cooling channel in the deflection in an inner and an outer flow channel is formed as a rule Strömungsleitblech.
- This flow-guiding element preferably extends over a certain distance into the second channel section or outlet channel.
- the distance by which the flow-guiding element extends into the second channel section preferably corresponds approximately to the distance between the flow-guiding element and the wall of the cooling channel opposite the inner flow channel at the inlet or outlet of the deflection.
- the flow guiding element is preferably designed and arranged within the deflection such that approximately 25 to 45% of the mass flow of the flow entering the deflection from the inlet channel into the region within the flow guiding element, i. enters the inner flow channel, and the remainder outside the baffle, i. in the outer flow channel, flows.
- the mass flow ratio corresponds to the inlet cross-sectional area ratio of the outer and inner flow channels.
- the area ratio on the outlet channel should be approximately equal to that of the inlet channel, i. it should not deviate from this ratio by more than 20%.
- the deflecting guide plate which is generally round in shape, may vary in thickness, or may itself be provided with guide devices.
- the flow guide on means which prevent accumulation of dust or dirt in one of the flow channels. This can be achieved, for example, by providing the flow-guiding element with passage openings or otherwise configuring it in a suitable manner.
- FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the embodiment of the cooling duct deflection 5 of the component of a turbomachine according to the present invention.
- the flow direction of the cooling medium is again indicated in this figure by thick arrows.
- the cooling medium flows via a first channel section 9 into the deflection 5 and from there into a second channel section 10.
- the two channel sections 9 and 10 are separated from one another in this example by a partition wall 11, which is part of the cooling channel wall 12.
- Such a cooling channel may be in a conventional gas turbine blade, as shown for example in FIG. 1, be arranged.
- a shaped flow or Umlenkleitblech 8 is formed, which divides the cooling channel within the deflection 5 in a radially inner flow channel 13 and a radially outer flow channel 14. Both flow channels are completely separated by the Umlenkleitblech 8.
- the deflecting baffle 8 also extends into the second channel section 10. The distance by which the Umlenkleitblech 8 protrudes into the second channel section 10, approximately corresponds to the width B 'and B "of the distance between the partition wall 11 and the inlet and outlet channel and the baffle. 8
- the deflection baffle is designed in this example so that approximately 25 to 45% of the mass flow of the flow entering from the inlet channel 9 into the deflection 5 flows into the region of the inner flow channel 13 and the remainder flows into the region of the outer flow channel 14.
- the mass flow ratio corresponds to the inlet area ratio A '/ B'.
- the area ratio at the exhaust duct A "/ B" in this example corresponds to the area ratio at the intake port and should not deviate more than ⁇ 20% from A '/ B'.
- the contouring is in this example by a thicker thickness of the partition 11 reached.
- the linear increase in the thickness of the dividing wall 11 shown in FIG. 4 and the deflecting end or edge adapted to the rounded profile of the flow deflector 8 form a nozzle-like constriction at the inlet to the inner flow passage 13 and a correspondingly shaped widening at the outlet into the second passage section 10 reached.
- a nozzle effect occurs, which increases the heat transfer between the cooling medium and the component in this area by the acceleration of the flow and thus simultaneously homogenized. Without such a constriction areas of low heat transfer within the baffle 8, ie in the inner flow channel 13 would occur.
- the constriction of the cross-sectional area of the inner flow channel 13 should be about 5 to 20%.
- the holes 15 are aligned depending on the location with their bore axes approximately in the direction of the flow lines of the flow of the cooling medium, so that - as an additional side effect - the discharge of small particles or dust in the cooling air through the holes 15 can take place.
- FIG. 4 shows a possible arrangement of the holes 15 as well as a favorable orientation of the associated bore axes (indicated by the dot-dashed lines).
- the illustration corresponds to a section through a gas turbine blade tip perpendicular to the viewing plane of FIG. 3.
- FIG. 5 shows a further preferred embodiment of the invention shown in FIG.
- the flow guide 8 has a number of holes 16, which help to avoid dust and dirt accumulation in the outer 14 or inner 13 flow channel.
- Figure 6 shows another way to achieve this effect.
- the flow guide is divided into a plurality of sub-elements, 8a and 8b, between which a gap is formed, which has the same effect as the holes 16 in Figure 5.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbinenschaufel, die einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal mit zumindest einer durch die Wandung des Kühlkanals gebildeten Umlenkung aufweist, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt umgelenkt wird, wobei im Bereich der Umlenkung zumindest ein Strömungsleitelement im Kühlkanal angeordnet ist, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird.The present invention relates to a component of a turbomachine, in particular a turbine blade, which has a cooling channel through which a cooling medium with at least one deflection formed by the wall of the cooling channel, through which the flow of the cooling medium is deflected from a first channel section into a downstream second channel section , Wherein in the region of the deflection at least one flow guide is arranged in the cooling channel, by which the cooling channel is divided in the deflection in an inner and an outer flow channel.
Auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der Gasturbinen, werden zur Steigerung der Leistung zunehmend höhere Turbineneintrittstemperaturen angestrebt und verwirklicht. Die höheren Temperaturen werden einerseits durch Fortschritte in der Werkstofftechnik in Richtung höherer zulässiger Materialtemperaturen und andererseits durch eine verbesserte Kühlung der Komponenten erreicht, die den hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Gerade im Bereich der Gasturbinen besteht hierbei die Notwendigkeit, die Kühlung für neue Generationen von Gasturbinenschaufeln weiter zu verbessern.In the field of turbomachines, in particular gas turbines, increasingly higher turbine inlet temperatures are sought and realized to increase the power. The higher temperatures are achieved on the one hand by advances in materials technology towards higher allowable material temperatures and on the other hand by improved cooling of the components which are exposed to high temperatures. Especially in the field of gas turbines, there is a need to further improve cooling for new generations of gas turbine blades.
Eine bekannte Kühlungsmethode für die Kühlung von Gasturbinenschaufeln ist die interne, konvektive Kühlung. Bei dieser Kühltechnik wird Kühlluft durch die Rotorwelle in den Schaufelfuß eingeleitet und von dort in innerhalb des Schaufelblattes verlaufenden Kühlkanälen geführt, in denen sie die Wärme der Turbinenschaufel aufnimmt. Die erwärmte Kühlluft wird schließlich durch geeignet angeordnete Bohrungen und Schlitze aus der Turbinenschaufel ausgeblasen.One known cooling method for gas turbine blade cooling is internal convective cooling. In this cooling technique, cooling air is introduced through the rotor shaft into the blade root and from there into guided inside the airfoil cooling ducts, in which it receives the heat of the turbine blade. The heated cooling air is finally blown out through suitably arranged holes and slots in the turbine blade.
Ein beispielhafter Verlauf der Kühlluftkanäle in einer Gasturbinenschaufel (nach: Thalin et al. 1982: NASA CR 1656087) ist in Figur 1 dargestellt. Die Kühlluft tritt über den Schaufelfuß 1 in die Turbinenschaufel ein, wird über einen Kühlkanal 2 bis zur Hinterseite der Schaufel geführt und schließlich über entsprechende Öffnungsschlitze 3 ausgeblasen. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist zusätzlich ein gesonderter Kühlkanal 2a vorgesehen, über den ein Teil der Kühlluft an die Vorderseite und Spitze der Schaufel geführt wird, um dort über entsprechende Öffnungen 4 auszutreten. Der Strömungsverlauf der Kühlluft innerhalb des Schaufelblattes ist durch die Pfeile angedeutet.An exemplary profile of the cooling air ducts in a gas turbine blade (according to Thalin et al., 1982: NASA CR 1656087) is shown in FIG. The cooling air enters the turbine blade via the
Bei einem typischen Verlauf des Kühlluftkanals sind 180°-Umlenkungen 5 in der Nähe der Schaufelspitze oder des Schaufelfußes erforderlich, die die unterschiedlichen Abschnitte des Kühlluftkanals 2 miteinander verbinden. Im Bereich dieser Umlenkungen 5 entwickeln sich jedoch komplizierte Strömungsmuster mit Totwassergebieten, die zu großen Druckverlusten über die Länge des Kühlluftkanals 2 führen und somit eine erhöhte Pumpleistung für den Transport der Kühlluft erfordern. Weiterhin entstehen in diesen Bereichen Gebiete geringen Wärmeübergangs zur Turbinenschaufel, die zu lokalen Temperaturspitzen auf der Außenhaut der Turbinenschaufel führen.In a typical course of the cooling air channel 180 °
Figur 2 zeigt hierzu schematisch einen Ausschnitt aus einem Kühlluftkanal 2 mit einer Umlenkung 5, in dem die Rezirkulationsgebiete, d.h. die Gebiete, die den hohen Druckverlust generieren, mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet sind. Der Strömungsverlauf des Kühlmediums ist wiederum über die Pfeile dargestellt. Neben den Druckverlust sind die Rezirkulationsgebiete nur gering durchströmt, weshalb hier Gebiete geringen Wärmeübergangs vorliegen.FIG. 2 schematically shows a section of a
Bei den bisher bekannten technischen Entwicklungen konnte zum Teil der Druckverlust über die Länge des Kühlkanals durch geeignete Anordnung von strömungsleitenden Elementen, wie sie beispielsweise in der Figur 1 zu erkennen sind, verringert werden.In the hitherto known technical developments, it has been possible in part to reduce the pressure loss over the length of the cooling channel by means of a suitable arrangement of flow-conducting elements, as can be seen, for example, in FIG.
Aus der US 5,073,086 ist hierbei eine Anordnung bekannt, bei der im Bereich der Umlenkung ein Strömungsleitelement im Kühlkanal angeordnet ist, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung vollständig in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird. Durch diese vollständige Aufteilung der Strömung kann zwar der durch die Umlenkung hervorgerufene Druckverlust verringert werden, eine deutlich homogenere Abführung der Wärme aus dem Bereich der Umlenkung wird dadurch jedoch nicht erreicht. Vielmehr entstehen neue Gebiete geringen Wärmeübergangs im Bereich des als Umlenkleitblech ausgebildeten Strömungsleitelementes.An arrangement is known from US Pat. No. 5,073,086, in which a flow-guiding element is arranged in the cooling channel in the region of the deflection, by which the cooling channel in the deflection is completely divided into an inner and an outer flow channel. Although the pressure loss caused by the deflection can be reduced by this complete division of the flow, a much more homogeneous dissipation of the heat from the region of the deflection is not achieved. Rather, new areas of low heat transfer in the Area of the formed as Umlenkleitblech flow guide.
Aus der US 4,775,296 und der US 4,604,031 sind ebenfalls Anordnungen bekannt, bei denen im Umlenkbereich eines Kühlkanals einer Turbinenschaufel Strömungsleitelemente angeordnet sind. In der US 4,775,296 ist eine Anordnung einer Mehrzahl in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordneter Strömungsleitelemente erkennbar, welche den inneren Strömungskanal zusehends einengen. US 4,604,031 offenbart eine Anordnung, bei der der vom Strömungsleitelement abgetrennte radial innere Strömungskanal des Umlenkbereichs sich in Strömungsrichtung verjüngt.Arrangements are also known from US Pat. No. 4,775,296 and US Pat. No. 4,604,031, in which flow guide elements are arranged in the deflection region of a cooling channel of a turbine blade. In US 4,775,296 an arrangement of a plurality in the flow direction successively arranged flow guide can be seen, which narrow the inner flow channel visibly. No. 4,604,031 discloses an arrangement in which the radially inner flow channel of the deflection region separated from the flow guide element tapers in the flow direction.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Komponente einer Strömungsmaschine mit verbesserter Kühlung anzugeben, bei der im Bereich der Umlenkungen des Kühlkanals der Druckverlust verringert und ein homogener Wärmeübergang erreicht wird.The object of the present invention is to specify a component of a turbomachine with improved cooling, in which the pressure loss is reduced in the region of the deflections of the cooling channel and a homogeneous heat transfer is achieved.
Die Aufgabe wird mit der Komponente gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Komponente sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the component according to
Die vorgeschlagene Komponente der Strömungsmaschine, in der Regel eine Turbinenschaufel, weist in bekannter Weise einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal mit zumindest einer durch die Wandung des Kühlkanals gebildeten Umlenkung auf, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt umgelenkt wird. Im Bereich dieser Umlenkung ist auch bei der vorliegenden Komponente ein Strömungsleitelement, beispielsweise in Form eines Umlenkleitbleches, im Kühlkanal angeordnet, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung vollständig in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird. Die vorliegende Komponente zeichnet sich dadurch aus, dass der innere Strömungskanal eine Einschnürung im Strömungsquerschnitt aufweist. Durch diese Einschnürung, d.h. eine Verengung und anschließende erneute Aufweitung des Strömungsquerschnittes, tritt ein Düseneffekt im inneren Strömungskanal auf, der den Wärmeübergang durch die Beschleunigung der Strömung in vorteilhafter Weise erhöht und gleichzeitig homogenisiert. Die Einschnürung wird vorzugsweise durch eine geeignete Formgebung bzw. Konturierung des Strömungsleitelementes und/oder der Wandung des Kühlkanals im Bereich der Umlenkung gebildet. Im äußeren Strömungskanal der Umlenkung sind zusätzlich ein oder mehrere Auslassbohrungen für das Kühlmedium in der Wandung des Kühlkanals ausgebildet, über die ein geringer Teil des Kühlmediums aus dem Kühlkanal in die externe Strömung außerhalb der Komponente austreten kann. Diese so genannte Kühlluftausblasung - im Falle von Luft als Kühlmedium - trägt in Verbindung mit den bereits erläuterten Merkmalen nochmals zu einer deutlichen Verbesserung des Wärmeübergangs bei, so dass eine Komponente erhalten wird, bei der einerseits keine lokalen Temperaturspitzen im Bereich der Umlenkung mehr auftreten und andererseits hohe Mittelwerte des Wärmeüberganges auf das Kühlmedium erreicht werden. Durch die Anordnung dieser Auslassbohrungen in Eckbereichen der Umlenkung, in denen ansonsten Totwassergebiete auftreten, wird gerade dort ein deutlich verbesserter Wärmeübergang erreicht. Die Bohrungen führen zum Auflösen der Totwassergebiete und tragen somit zu einer Homogenisierung des Wärmeüberganges bei. Weiterhin können diese Bohrungen den gewünschten Nebeneffekt herbeiführen, dass Staubpartikel im Kühlmedium durch die Bohrungen ausgeblasen werden. Zur Verstärkung dieses Nebeneffektes werden die Längsachsen der Bohrungen in etwa in Richtung der lokalen Stromlinien der Strömung des Kühlmediums im Kühlkanal ausgerichtet.The proposed component of the turbomachine, usually a turbine blade, has, in a known manner, a cooling channel, through which a cooling medium can flow, with at least one deflection formed by the wall of the cooling channel, through which the Flow of the cooling medium is deflected from a first channel portion in a downstream second channel section. In the region of this deflection, a flow-guiding element, for example in the form of a deflection guide plate, is also arranged in the cooling channel in the present component, by which the cooling channel in the deflection is completely divided into an inner and an outer flow channel. The present component is characterized in that the inner flow channel has a constriction in the flow cross-section. By this constriction, ie a constriction and subsequent re-expansion of the flow cross-section occurs a nozzle effect in the inner flow channel, which increases the heat transfer by the acceleration of the flow in an advantageous manner and simultaneously homogenized. The constriction is preferably formed by a suitable shaping or contouring of the flow-guiding element and / or the wall of the cooling channel in the region of the deflection. In the outer flow channel of the diversion, one or more outlet bores for the cooling medium are additionally formed in the wall of the cooling channel, via which a small part of the cooling medium can escape from the cooling channel into the external flow outside the component. This so-called Kühlluftausblasung - in the case of air as a cooling medium - contributes in conjunction with the features already explained again to a significant improvement in heat transfer, so that a component is obtained in which on the one hand no local temperature peaks in the area of the deflection occur more and on the other hand high average values of the heat transfer to the cooling medium can be achieved. Due to the arrangement of these outlet holes in corner regions of the deflection, in which otherwise dead water areas occur, a significantly improved heat transfer is achieved there. The holes lead to the dissolution of the dead water areas and thus contribute to a homogenization of the heat transfer. Furthermore, these holes can bring about the desired side effect that dust particles in the cooling medium are blown through the holes. To enhance this side effect, the longitudinal axes of the bores are aligned approximately in the direction of the local streamlines of the flow of the cooling medium in the cooling channel.
Durch die vorgeschlagene Lösung wird somit eine Verringerung der Druckverluste in der Umlenkung bei gleichzeitiger Homogenisierung des Wärmeübergangs zwischen dem Kühlmedium und dem Wandmaterial der Komponente erreicht. Die vorliegende Ausgestaltung ist unabhängig von der weiteren Konfiguration der Komponente, insbesondere unabhängig von der Rippenkonfiguration im ersten und zweiten Kanalabschnitt, im Folgenden auch als Ein- und Auslasskanal bezeichnet, sowie von möglichen Rundungen an den äußeren Randbereichen der Umlenkung. Derartige Einzelheiten, die bei einer Vielzahl von Gasturbinenschaufeln auftreten, haben keinen Einfluss auf die vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfindung.The proposed solution thus achieves a reduction in the pressure losses in the deflection while simultaneously homogenizing the heat transfer between the cooling medium and the wall material of the component. The present embodiment is independent of the further configuration of the component, in particular independent of the rib configuration in the first and second channel section, hereinafter also referred to as inlet and outlet channel, as well as possible curves at the outer edge regions of the deflection. Such details that occur in a variety of gas turbine blades do not affect the beneficial effect of the present invention.
Die für die bestmögliche Funktion der vorliegenden Erfindung erforderliche Einschnürung des Strömungsquerschnittes im inneren Strömungskanal der Umlenkung, d.h. in dem Strömungskanal, der den kürzeren Strömungsweg in der Umlenkung aufweist, kann einerseits durch entsprechende Gestaltung des Strömungsleitelementes, beispielsweise durch eine Verdickung, und andererseits durch eine entsprechende Ausformung der dem Strömungsleitelement im inneren Strömungskanal gegenüberliegenden Kanalwandung erreicht werden. Selbstverständlich kann die Einschnürung auch durch eine entsprechende Ausformung beider Elemente oder der weiteren den inneren Strömungskanal umgebenden Wandbereiche erreicht werden.The required for the best possible function of the present invention constriction of the flow cross-section in the inner flow channel of the deflection, ie in the flow channel having the shorter flow path in the deflection, on the one hand by appropriate design of the flow, for example, by a thickening, and on the other hand by a corresponding Forming of the flow guide in the inner flow channel opposite channel wall can be achieved. Of course the constriction can also be achieved by a corresponding shaping of both elements or the further wall regions surrounding the inner flow channel.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei der der erste und zweite Kanalabschnitt annähernd parallel beidseitig einer Trennwand verlaufen, welche eine Seite der Wandung des Kühlkanals bildet, nimmt die Dicke der Trennwand im Bereich der Umlenkung zu, um durch diese Zunahme der Dicke die entsprechende Einschnürung innerhalb des inneren Strömungskanals hervorzurufen. Die Form der Konturierung dieser Trennwand, die den Auslasskanal vom Einlasskanal trennt, kann unterschiedlich ausfallen, um den genannten Effekt herbeizuführen.In an advantageous embodiment, in which the first and second channel section extend approximately parallel on both sides of a partition which forms one side of the wall of the cooling channel, the thickness of the partition increases in the region of the deflection in order to achieve the corresponding constriction within the region due to this increase in thickness to cause internal flow channel. The shape of the contour of this partition, which separates the outlet channel from the inlet channel, may be different in order to produce the said effect.
Das Strömungsleitelement, das den Kühlkanal in der Umlenkung in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufteilt, ist in der Regel als Strömungsleitblech ausgebildet. Vorzugsweise erstreckt sich dieses Strömungsleitelement über eine gewisse Distanz bis in den zweiten Kanalabschnitt bzw. Auslasskanal hinein. Die Distanz, um den das Strömungsleitelement in den zweiten Kanalabschnitt hineinreicht, entspricht vorzugsweise in etwa dem Abstand zwischen dem Strömungsleitelement und der im inneren Strömungskanal gegenüberliegenden Wandung des Kühlkanals am Einlass oder Auslass der Umlenkung. Durch die Verlängerung des Strömungsleitelementes wird eine Verlängerung der Aufteilung des Kühlkanals in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal erreicht. Am Austritt des inneren Strömungskanals kann eine leichte Einschnürung oder Aufweitung des Kanalquerschnitts vorgesehen sein, so dass die Wand des Strömungsleitelementes in diesem Bereich nicht unbedingt parallel zur Kanalwand des zweiten Kanalabschnittes bzw. Auslasskanals verlaufen muss.The flow guide, which divides the cooling channel in the deflection in an inner and an outer flow channel is formed as a rule Strömungsleitblech. This flow-guiding element preferably extends over a certain distance into the second channel section or outlet channel. The distance by which the flow-guiding element extends into the second channel section preferably corresponds approximately to the distance between the flow-guiding element and the wall of the cooling channel opposite the inner flow channel at the inlet or outlet of the deflection. By extending the flow guide an extension of the distribution of the cooling channel is achieved in an inner and an outer flow channel. At the outlet of the inner flow channel a slight constriction or widening of the channel cross-section may be provided, so that the wall of the flow-guiding element does not necessarily have to run parallel to the channel wall of the second channel section or outlet channel in this area.
Das Strömungsleitelement ist vorzugsweise derart ausgebildet und innerhalb der Umlenkung angeordnet, dass ca. 25 bis 45% des Massenstroms der aus dem Einlasskanal in die Umlenkung eintretenden Strömung in den Bereich innerhalb des Strömungsleitelementes, d.h. in den inneren Strömungskanal, eintritt und der Rest ausserhalb des Leitbleches, d.h. im äußeren Strömungskanal, fließt. Das Massenstromverhältnis entspricht dem Eintrittsquerschnittsflächenverhältnis des äußeren und inneren Strömungskanals. Das Flächenverhältnis am Auslasskanal sollte in etwa demjenigen des Einlasskanals entsprechen, d.h. es sollte nicht um mehr als 20% von diesem Verhältnis abweichen. Selbstverständlich kann das in der Regel rund ausgeformte Umlenkleitblech in der Dicke variieren, oder auch selbst wieder mit Leitvorrichtungen versehen sein.The flow guiding element is preferably designed and arranged within the deflection such that approximately 25 to 45% of the mass flow of the flow entering the deflection from the inlet channel into the region within the flow guiding element, i. enters the inner flow channel, and the remainder outside the baffle, i. in the outer flow channel, flows. The mass flow ratio corresponds to the inlet cross-sectional area ratio of the outer and inner flow channels. The area ratio on the outlet channel should be approximately equal to that of the inlet channel, i. it should not deviate from this ratio by more than 20%. Of course, the deflecting guide plate, which is generally round in shape, may vary in thickness, or may itself be provided with guide devices.
In einer weiteren Vorzugsvariante der Erfindung weist das Strömungsleitelement Mittel auf, welche eine Ansammlung von Staub oder Schmutz in einem der Strömungskanäle verhindern. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Strömungsleitelement mit Durchtrittsöffnungen versehen oder sonst auf geeignete Weise ausgestaltet wird.In a further preferred variant of the invention, the flow guide on means which prevent accumulation of dust or dirt in one of the flow channels. This can be achieved, for example, by providing the flow-guiding element with passage openings or otherwise configuring it in a suitable manner.
Durch die Summe der in den Weiterbildungen angeführten Maßnahmen bzw. Merkmale, d.h. durch die Optimierung der Geometrie und durch die Kühlluftausblasung an kritischen Stellen, wird eine optimierte Kühlung im Bereich des Umlenkelementes bei minimiertem Druckverlust erreicht. Die einzelnen Maßnahmen sind hierbei unabhängig von der konkreten Geometrie der Komponente und des Kühlkanals und lassen sich beispielsweise auch bei Kühlkanalumlenkungen einsetzen, deren Umlenkwinkel ungleich 180° beträgt. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung weder auf Turbinenschaufeln noch auf gasgekühlte Komponenten beschränkt, sondern lässt sich insbesondere auch bei Komponenten mit anderen strömenden Kühlmedien einsetzen.By the sum of the measures or features cited in the developments, ie by the optimization of the geometry and by the Kühlluftausblasung At critical points, optimized cooling in the area of the deflection element is achieved with minimized pressure loss. The individual measures are independent of the specific geometry of the component and the cooling channel and can be used for example in Kühlkanalumlenkungen whose deflection is not equal to 180 °. Furthermore, the present invention is not limited to turbine blades or gas-cooled components, but can also be used in particular with components with other flowing cooling media.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen
- Fig. 1
- einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel mit Kühlkanalumlenkungen gemäß dem Stand der Technik;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung der Ablösegebiete innerhalb einer Kühlkanalumlenkung;
- Fig. 3
- schematisch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kühlkanalumlenkung;
- Fig. 4
- ein Beispiel für eine Anordnung zusätzlicher Auslassbohrungen in der Kühlkanalumlenkung;
- Fig. 5
- die in
Figur 3 dargestellte Konfiguration, mit Massnahmen zur Vermeidung einseitigen von Staub- und Schmutzansammlungen; - Fig. 6
- Eine Ausgestaltung des Strömungsleitelementes zur Vermeidung von einseitigen Staub- und Schmutzansammlungen.
- Fig. 1
- a section through a turbine blade with Kühlkanalverlenkungen according to the prior art;
- Fig. 2
- a schematic representation of the detachment areas within a cooling duct deflection;
- Fig. 3
- schematically an embodiment of the inventive design of a cooling duct deflection;
- Fig. 4
- an example of an arrangement of additional Outlet holes in the cooling duct deflection;
- Fig. 5
- the configuration shown in Figure 3, with measures to prevent one-sided dust and dirt accumulation;
- Fig. 6
- An embodiment of the flow guide to avoid unilateral dust and dirt accumulation.
Die Figuren 1 und 2 wurden bereits in Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erläutert, um die dort auftretende Problematik des Druckverlustes und der Gebiete geringen Wärmeübergangs innerhalb der Umlenkung eines Kühlkanals aufzuzeigen.Figures 1 and 2 have already been explained in connection with the description of the prior art in order to show the problems occurring there of the pressure loss and the areas of low heat transfer within the deflection of a cooling channel.
Figur 3 zeigt in schematisierter Darstellung ein Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Kühlkanalumlenkung 5 der Komponente einer Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums ist in dieser Figur wiederum durch dicke Pfeile angedeutet. Das Kühlmedium strömt über einen ersten Kanalabschnitt 9 in die Umlenkung 5 und von dort in einen zweiten Kanalabschnitt 10. Die beiden Kanalabschnitte 9 und 10 werden in diesem Beispiel durch eine Trennwand 11 voneinander abgetrennt, die Bestandteil der Kühlkanalwandung 12 ist. Ein derartiger Kühlkanal kann in einer üblichen Gasturbinenschaufel, wie sie beispielsweise in der Fig. 1 dargestellt ist, angeordnet sein.Figure 3 shows a schematic representation of an embodiment of the embodiment of the cooling
Innerhalb der Umlenkung 5 ist ein geformtes Strömungs- bzw. Umlenkleitblech 8 ausgebildet, das den Kühlkanal innerhalb der Umlenkung 5 in einen radial inneren Strömungskanal 13 und einen radial äußeren Strömungskanal 14 aufteilt. Beide Strömungskanäle werden durch das Umlenkleitblech 8 vollständig voneinander getrennt. Im vorliegenden Beispiel erstreckt sich das Umlenkleitblech 8 zudem bis in den zweiten Kanalabschnitt 10 hinein. Die Strecke, um die das Umlenkleitblech 8 in den zweiten Kanalabschnitt 10 hineinragt, entspricht etwa der Breite B' bzw. B" des Abstandes zwischen der Trennwand 11 und am Einlass- bzw. Auslasskanal und dem Leitblech 8.Within the
Das Umlenkleitblech ist in diesem Beispiel so ausgelegt, dass ca. 25 bis 45% des Massenstroms der aus dem Einlasskanal 9 in die Umlenkung 5 eintretenden Strömung in den Bereich des inneren Strömungskanals 13 und der Rest in den Bereich des äußeren Strömungskanals 14 fließt. Das Massenstromverhältnis entspricht hierbei dem Eintrittsflächenverhältnis A'/B'. Das Flächenverhältnis am Auslasskanal A"/B" entspricht in diesem Beispiel dem Flächenverhältnis am Einlasskanal und sollte nicht mehr als ± 20% von A'/B' abweichen.The deflection baffle is designed in this example so that approximately 25 to 45% of the mass flow of the flow entering from the
Im vorliegenden Beispiel ist die Trennwand 11 im Bereich der Umlenkung 5, d.h. an ihrem umlenkungsseitigen Ende derart konturiert, dass sie zu einer Einschnürung des Strömungsquerschnitts im inneren Strömungskanal 13 führt. Die Konturierung wird in diesem Beispiel durch eine stärkere Dicke der Trennwand 11 erreicht. Durch die in der Figur 4 dargestellte lineare Zunahme der Dicke der Trennwand 11 und gleichzeitig an den abgerundeten Verlauf des Strömungsleitbleches 8 angepassten umlenkungsseitigen Ende bzw. Rand wird eine düsenartige Verengung am Einlass zum inneren Strömungskanal 13 und eine entsprechend geformte Aufweitung am Auslass in den zweiten Kanalabschnitt 10 erreicht. Durch diese Ausgestaltung tritt ein Düseneffekt auf, der den Wärmeübergang zwischen dem Kühlmedium und der Komponente in diesem Bereich durch die Beschleunigung der Strömung erhöht und damit gleichzeitig homogenisiert. Ohne eine derartige Einschnürung würden Gebiete geringen Wärmeüberganges innerhalb des Leitbleches 8, d.h. im inneren Strömungskanal 13 auftreten. Die Einschnürung der Querschnittsfläche des inneren Strömungskanals 13 sollte etwa 5 bis 20% betragen.In the present example, the
Zusätzlich zu dem Strömungsleitblech 8 und der durch die Trennwand 11 verursachten Einschnürung des inneren Strömungskanals 13 sind in der vorliegenden Figur 3 zwei Bohrungen 15 in den Eckbereichen der Umlenkung 5 zu erkennen. Durch diese zusätzlichen Bohrungen 15 wird ein geringer Teil der Kühlluft in die externe Strömung ausserhalb der Komponente ausgeblasen. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer Beschleunigung der Strömung im Bereich der Ablöse- bzw. Totwassergebiete an den äußeren Ecken, und erzwingt eine konvektive Durchströmung der Totwassergebiete 6 mit Kühlmittel, so, dass sich die Totwassergebiete füllen, was zu einer weiteren Homogenisierung des Wärmeüberganges beiträgt.In addition to the
Vorzugsweise werden die Bohrungen 15 je nach örtlicher Lage mit ihren Bohrungsachsen ungefähr in Richtung der Stromlinien der Strömung des Kühlmediums ausgerichtet, so dass - als zusätzlicher Nebeneffekt - die Austragung von kleinen Partikeln bzw. Staub in der Kühlluft über die Bohrungen 15 erfolgen kann.Preferably, the
Figur 4 zeigt hierzu eine mögliche Anordnung der Bohrungen 15 sowie eine günstige Orientierung der zugehörigen Bohrungsachsen (durch die strichpunktierten Linien angedeutet). Die Darstellung entspricht einem Schnitt durch eine Gasturbinenschaufelspitze senkrecht zur Betrachtungsebene der Figur 3.FIG. 4 shows a possible arrangement of the
Figur 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten Erfindung. Das Strömungsleitelement 8 weist eine Anzahl Bohrungen 16 auf, welche dazu beitragen, Staub- und Schmutzansammlungen im äusseren 14 oder inneren 13 Strömungskanal zu vermeiden. Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, diesen Effekt zu erzielen. Das Strömungsleitelement ist dabei in mehrere Teilelemente, 8a und 8b, unterteilt, zwischen denen ein Spalt ausgebildet ist, welcher die gleiche Wirkung hat wie die Bohrungen 16 in Figur 5.FIG. 5 shows a further preferred embodiment of the invention shown in FIG. The
- 11
- Schaufelfußblade
- 2,2a2,2a
- Kühlkanalcooling channel
- 33
- Austrittsschlitze, HinterkantenausblasungOutlet slits, trailing edge blowing
- 44
- Austrittsöffnungenoutlet openings
- 55
- Umlenkungredirection
- 66
- Totwasser- bzw. Rezirkulationsgebiet, Gebiet mit hohem DruckverlustDead water or recirculation area, area with high pressure loss
- 88th
- Strömungsleitendes Element, Strömungs- bzw. UmlenkleitblechFlow-conducting element, flow or deflection guide plate
- 8a, 8b8a, 8b
- Teilelementepartial elements
- 99
- Erster, stromaufwärtiger, KanalabschnittFirst, upstream, channel section
- 1010
- Zweiter, stromabwärtiger, KanalabschnittSecond, downstream, channel section
- 1111
- Trennwandpartition wall
- 1212
- KühlkanalwandungKühlkanalwandung
- 1313
- Innerer StrömungskanalInner flow channel
- 1414
- Äußerer StrömungskanalOuter flow channel
- 1515
- Auslassbohrungenoutlet bores
- 1616
- Bohrung, Durchtrittsöffnung :Bore, opening:
Claims (11)
- Component of a turbomachine, in particular a turbine blade, which has a cooling duct (2) through which a cooling medium is capable of flowing, with at least one deflection (5) which is formed by the wall (11, 12) of the cooling duct (2) and by which the flow of the cooling medium is deflected from the first duct portion (9)into a downstream second duct portion (10), at least one flow guide element (8) being arranged in the cooling duct (2) in the region of the deflection (5), the cooling duct (2) being divided in the deflection (5) into an inner (13) and an outer (14) flow duct by means of the said flow guide element, the inner flow duct (13) having a contraction in the flow cross section and at least one outlet bore (15) being formed in the wall (12) of the cooling duct (2) in corner regions of the deflection in the outer flow duct (14), characterized in that the at least one outlet bore (15) is arranged such that, via the latter, a small part of the cooling medium can emerge from the cooling duct (2) into an external flow outside the component.
- Component according to Claim 1, characterized in that the contraction is brought about the shaping of or contouring of the flow guide element (8) and/or of the wall (11, 12) of the cooling duct (2).
- Component according to Claim 2, characterized in that the first (9) and the second (10) duct portion run on both sides of a partition (11) as part of the wall (11, 12) of the cooling duct, the thickness of the partition (11) increasing in the region of the deflection (5), in order to bring about the contraction of the flow cross section in the inner flow duct (13).
- Component according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the flow guide element (8) extends into the second duct portion (10).
- Component according to Claim 4, characterized in that the flow guide element (8) extends into the second duct portion (10) over a distance which corresponds approximately to the distance between the flow guide element (8) and that wall (11) of the cooling duct (2) which lies opposite in the inner flow duct (13) at the transition of the first (9) or second (10) duct portion to the deflection (5).
- Component according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the flow guide element (8) is arranged in the cooling duct (2) in such a way that 25 to 45% of the mass flow of cooling medium entering via the first duct portion (9) flows through the inner flow duct (13).
- Component according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the flow guide element (8) and/or the wall (11, 12) of the cooling duct (2) are/is designed in such a way that they bring about a contraction of the flow cross section in the inner flow duct (13) of 5 - 20%.
- Component according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet bores (15) extend at least approximately in the direction of local flow lines of the flow of the cooling medium.
- Component according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet bores (15) are dimensioned in such a way that they allow a discharge of dust from the cooling medium.
- Component according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet bores (15) are arranged in dead-water zones (6) of the cooling duct which have a low throughflow, and there ensure that a convective cooling-medium throughflow is maintained.
- Component according to one of the preceding claims, characterized in that the flow guide element (8) has suitable means (16) and/or a suitable configuration for avoiding dust accumulation on one side.
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