CH702110B1 - Structure for improving film cooling using a shallow trench along the longitudinal direction of the trench arranged film cooling holes. - Google Patents
Structure for improving film cooling using a shallow trench along the longitudinal direction of the trench arranged film cooling holes. Download PDFInfo
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Abstract
Ein Turbinenschaufelblatt (40) enthält mehrere flache Gräben (14). Jeder Graben (14) enthält mehrere darin angeordnete und entlang der Längsrichtung (46) des Grabens (14) befindliche und durch ein Schaufelblattsubstrat in der Längsrichtung (46) des Grabens (14) geneigte Filmkühlungslöcher (42).A turbine bucket blade (40) includes a plurality of shallow trenches (14). Each trench (14) includes a plurality of film cooling holes (42) disposed therein and inclined along the longitudinal direction (46) of the trench (14) and inclined by a blade substrate in the longitudinal direction (46) of the trench (14).
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
[0001] Die Erfindung betrifft allgemein filmgekühlte Teile und insbesondere filmgekühlte Turbinenschaufelblätter. The invention relates generally to film-cooled parts and more particularly to film-cooled turbine blade blades.
[0002] Gasturbinen und anderes Hochtemperaturgerät nutzen Filmkühlung ausgiebig für einen effektiven Schutz der Heissgaspfadkomponenten, wie z.B. Turbinenlaufschaufeln. Filmkühlung bezieht sich auf eine Technik zum Kühlen eines Teils, in welchem kühle Luft durch mehrere kleine Löcher in der Aussenwand des Teils hindurch ausgegeben wird, um eine relativ dünne kühle Schicht oder Barriere entlang der Aussenoberfläche des Teils zu erzeugen und einen direkten Kontakt mit heissen Gasen zu verhindern oder zu verringern. Gas turbines and other high temperature equipment use film cooling extensively for effective protection of the hot gas path components, such as e.g. Turbine blades. Film cooling refers to a technique for cooling a part in which cool air is discharged through a plurality of small holes in the outer wall of the part to create a relatively thin cool layer or barrier along the outer surface of the part and in direct contact with hot gases prevent or reduce it.
[0003] Übliche Stellen, die zum Kühlen von Turbinenschaufelblättern genutzt werden, umfassen unter anderem den Schaufelblattvorderkanten-Duschkopffilm und Filmkühlungslöcher auf vorderen Endwandbereichen. Eine übliche Kühltechnik nutzt Reihen von axial runden Filmkühlungslöchern in einem flachen Graben, in welchem die Achse jedes Filmkühlungsloches im Wesentlichen quer zu der Längsrichtung des Grabens ausgerichtet ist. Die Verwendung eines flachen Grabens verstärkt die Verteilung des Kühlfilms, was die Filmkühlung weniger empfindlich gegen Turbulenzeffekte bei freier Anströmung und auch tolerant gegenüber Effekten aufgrund von Ablagerungen auf der Oberfläche macht. Common locations used to cool turbine blade sheets include, but are not limited to, the airfoil leading edge showerhead film and film cooling holes on front endwall areas. A common cooling technique utilizes rows of axially circular film cooling holes in a shallow trench in which the axis of each film cooling hole is oriented substantially transverse to the longitudinal direction of the trench. The use of a shallow trench enhances the distribution of the cooling film, making the film cooling less susceptible to free-flowing turbulence effects and also tolerant of deposits due to deposits on the surface.
[0004] Diese bekannten flache Gräben nutzenden Turbinenschaufelblatt-Filmkühlungstechniken verbessern die Filmkühlungseffektivität gegenüber herkömmlichen Filmkühlungstechniken, die Filmkühlungslöcher ohne flache Gräben verwenden. Es wäre vorteilhaft, eine nächste Generation von Turbinenschaufelblattfilmkühlung bereitzustellen, die die Filmkühlungseffektivität über die hinausgehend verbessert, die unter Verwendung bekannter Turbinenschaufel-Filmkühlungstechniken, die flache Gräben verwenden, erzielbar sind. These known shallow trench turbine blade airfoil cooling techniques improve film cooling efficiency over conventional film cooling techniques using film cooling holes without shallow trenches. It would be advantageous to provide a next-generation turbine airfoil film cooling which improves film cooling efficiency beyond those achievable using known turbine blade film cooling techniques employing shallow trenches.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
[0005] Die Erfindung sieht eine Komponente gemäss Anspruch 1 vor. The invention provides a component according to claim 1.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
[0006] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Referenzzeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, wobei: <tb>Fig. 1<SEP>eine perspektivische Ansicht ist, die mehrere Filmkühlungslöcher im Inneren eines im Fachgebiet bekannten flachen Grabens veranschaulicht; <tb>Fig. 2<SEP>die Winkelbeziehung zwischen den Wänden des flachen Grabens und der Mittenachse eines in Fig. 1 dargestellten Filmkühlungsloches detaillierter veranschaulicht; <tb>Fig. 3<SEP>eine perspektivische Ansicht ist, die einen Filmkühlungsstrom aufgrund einer lateralen Strömungsblockierung für die in Fig. 1 dargestellten Filmkühlungslöcher veranschaulicht; <tb>Fig. 4<SEP>eine perspektivische Ansicht ist, die mehrere Filmkühlungslöcher in einem flachen Graben veranschaulicht, in welchem jedes Filmkühlungsloch eine Mittenachse enthält, die in der Längsrichtung des Grabens gemäss einer ersten Ausführungsform ausgerichtet ist; <tb>Fig. 5<SEP>mehrere Filmkühlungslöcher im Inneren entsprechender flacher Gräben, angewendet auf einen mittels Duschkopffilm gekühlten Bereich eines Turbinenschaufelblattes gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht; <tb>Fig. 6<SEP>eine Endansicht der in Fig. 4 dargestellten Filmkühlungslöcher ist; und <tb>Fig. 7<SEP>eine Ansicht quer zu der Längsrichtung des in den Fig. 4 und 6 dargestellten flachen Grabens ist und eine andere Ansicht der Mittenachse eines zu der Längsrichtung des Grabens ausgerichteten Filmkühlungsloches veranschaulicht.These and other features, aspects and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings, in which like reference characters designate like parts throughout the drawings, wherein: <Tb> FIG. FIG. 1 is a perspective view illustrating a plurality of film cooling holes inside a shallow trench known in the art; FIG. <Tb> FIG. Fig. 2 <SEP> illustrates in more detail the angular relationship between the walls of the shallow trench and the center axis of a film cooling hole shown in Fig. 1; <Tb> FIG. Fig. 3 is a perspective view illustrating a film cooling flow due to lateral flow blocking for the film cooling holes shown in Fig. 1; <Tb> FIG. 4 is a perspective view illustrating a plurality of film cooling holes in a shallow trench, in which each film cooling hole includes a center axis aligned in the longitudinal direction of the trench according to a first embodiment; <Tb> FIG. 5 illustrates a plurality of film cooling holes inside respective shallow trenches applied to a shower head film cooled portion of a turbine bucket blade according to one embodiment; <Tb> FIG. Fig. 6 is a end view of the film cooling holes shown in Fig. 4; and <Tb> FIG. 7 <SEP> is a view across the longitudinal direction of the shallow trench illustrated in FIGS. 4 and 6 and illustrates another view of the center axis of a film cooling hole oriented to the longitudinal direction of the trench.
[0007] Obwohl die vorstehend beschriebenen Figuren alternative Ausführungsformen darstellen, werden auch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in der Diskussion angegeben, in Betracht gezogen. In allen Fällen präsentiert diese Offenlegung veranschaulichte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur im Rahmen einer Darstellung und nicht einer Einschränkung. Although the figures described above represent alternative embodiments, other embodiments of the present invention are also contemplated, as indicated in the discussion. In all cases, this disclosure presents illustrated embodiments of the present invention only by way of illustration and not limitation.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
[0008] Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaufelblattteils 10, das mehrere Filmkühlungslöcher 12 innerhalb eines im Fachgebiet bekannten flachen Grabens 14 enthält. Das Teil 10 wird durch ein durch das Innere des Teils 10 hindurchtretendes Kühlfluid gekühlt. Das Kühlfluid kann Verdichterentnahmeluft oder ein anderes Fluid mit bekannten thermodynamischen Eigenschaften, wie z.B. Stickstoff, sein. Ein Teil des Kühlmittels tritt durch die Filmkühlungslöcher 12 an eine Aussenseite des Teils 10 aus. Das Teil 10 kann mehrere derartige flache Gräben haben, obwohl nur einer für die Zwecke der Veranschaulichung dargestellt ist. FIG. 1 is a perspective view of an airfoil portion 10 including a plurality of film cooling holes 12 within a shallow trench 14 known in the art. The part 10 is cooled by a cooling fluid passing through the interior of the part 10. The cooling fluid may include compressor bleed air or another fluid having known thermodynamic properties, such as e.g. Nitrogen, be. A part of the coolant exits through the film cooling holes 12 to an outside of the part 10. The part 10 may have a plurality of such shallow trenches, although only one is shown for purposes of illustration.
[0009] Fig. 2 veranschaulicht eine Endansicht des in Fig. 1 dargestellten Grabens 14 und zeigt die Winkelbeziehung zwischen den Seitenwänden 16 des flachen Grabens 14 und der Mittenachse 18 jedes Filmkühlungsloches 12. In Fig. 3 dargestellte heisse Gase 30 strömen in einer Richtung quer zu der Längsrichtung des Grabens 14. Kühlmittel tritt durch die Filmkühlungslöcher 12 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Strömung der heissen Gase 30 aus und verteilt sich in dem Graben 14, bevor es aus dem Graben kommt und das Schaufelblattteil 10 kühlt. Da die Mittenachse 18 jedes Filmkühlungsloches 12 eine Winkelbeziehung zu den Seitenwänden 16 des flachen Grabens 14 bildet, wird ein Teil des die Filmkühlungslöcher 12 verlassenden Kühlmittels blockiert oder anderweitig zurückgehalten, um zu verhindern, dass sich der maximale Anteil des Kühlmittels 32 mit den heissen Gasen 30 vermischt, um die Optimierung der Kühlung des Schaufelblattteils zu behindern. Fig. 2 illustrates an end view of the trench 14 shown in Fig. 1 and shows the angular relationship between the side walls 16 of the shallow trench 14 and the center axis 18 of each film cooling hole 12. Hot gases 30 shown in Fig. 3 flow in a direction transverse to the longitudinal direction of the trench 14. Coolant exits through the film cooling holes 12 in a direction substantially parallel to the flow of the hot gases 30 and disperses in the trench 14 before it comes out of the trench and cools the airfoil member 10. Because the center axis 18 of each film cooling hole 12 forms an angular relationship with the sidewalls 16 of the shallow trench 14, a portion of the coolant leaving the film cooling holes 12 is blocked or otherwise retained to prevent the maximum portion of the coolant 32 from flowing with the hot gases 30 mixed to hinder the optimization of the cooling of the airfoil part.
[0010] Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Filmkühlungsströmung 32 aufgrund der lateralen Strömungsblockierung für die in Fig. 1 dargestellten Filmkühlungslöcher 12 darstellt. Fig. 3 is a perspective view illustrating a film cooling flow 32 due to the lateral flow blocking for the film cooling holes 12 shown in Fig. 1.
[0011] Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die mehrere Filmkühlungslöcher 42 in einem sich auf einem Schaufelblattteil 40 befindenden flachen Graben 14 darstellt, in welchem jedes Filmkühlungsloch 42 eine Mittenachse 44 enthält, die in der Längsrichtung 46 des Grabens 14 gemäss einer ersten Ausführungsform ausgerichtet ist. Das Teil 40 wird durch ein durch einen Innenbereich des Teils 40 strömendes Kühlfluid gekühlt. Das Kühlfluid kann Verdichterentnahmeluft oder ein anderes Fluid mit bekannten thermodynamischen Eigenschaften, wie z.B. Stickstoff, sein. Ein Anteil des Kühlmittels tritt durch die Filmkühlungslöcher 12 an eine Aussenseite des Teils 10 aus. Das Teil 40 kann mehrere derartige flache Gräben haben, obwohl nur einer für Zwecke der Veranschaulichung dargestellt ist. 4 is a perspective view illustrating a plurality of film cooling holes 42 in a shallow trench 14 located on an airfoil portion 40, in which each film cooling hole 42 includes a center axis 44 that is in the longitudinal direction 46 of the trench 14 according to a first embodiment is aligned. The part 40 is cooled by a cooling fluid flowing through an inner area of the part 40. The cooling fluid may include compressor bleed air or another fluid having known thermodynamic properties, such as e.g. Nitrogen, be. A portion of the coolant exits through the film cooling holes 12 to an outside of the part 10. The part 40 may have a plurality of such shallow trenches, although only one is shown for purposes of illustration.
[0012] Heisse Gase können in jeder Richtung in Bezug auf die Längsrichtung 46 des flachen Grabens 14 strömen, aber die Mehrzahl der Anwendungen möchte heisse Gase haben, die im Wesentlichen quer zu der Längsrichtung 46 des flachen Grabens 14 strömen. Kühlmittel tritt aus den Filmkühlungslöchern 42 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 46 aus und füllt den Graben 14, bevor es aus dem Graben austritt und das Schaufelblattteil 40 kühlt. Da die Mittenachse 44 jedes Filmkühlungsloches 42 im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 16 des flachen Grabens 14 ist, kann im Wesentlichen das gesamte die Filmkühlungslöcher 42 verlassende Kühlmittel die Länge des Grabens 14 auffüllen und eine unmittelbare Vermischung mit den heissen Gasen vermeiden, und dadurch auch den Graben 14 als eine besser zusammenhängende Kühlschicht in der Längsrichtung 46 des Schaufelblattteils 10 verlassen, um die Optimierung der Kühlung des Schaufelblattteils 40 zu maximieren. Hot gases may flow in either direction with respect to the longitudinal direction 46 of the shallow trench 14, but the majority of applications would like to have hot gases that flow substantially transversely to the longitudinal direction 46 of the shallow trench 14. Coolant exits the film cooling holes 42 in a direction substantially parallel to the longitudinal direction 46 and fills the trench 14 before exiting the trench and cooling the airfoil member 40. Since the center axis 44 of each film cooling hole 42 is substantially parallel to the side walls 16 of the shallow trench 14, substantially all of the coolant leaving the film cooling holes 42 can fill the length of the trench 14 and avoid direct mixing with the hot gases, and thereby also the Leaving trench 14 as a more coherent cooling layer in the longitudinal direction 46 of the airfoil portion 10 in order to maximize the optimization of the cooling of the airfoil portion 40.
[0013] Fig. 5 stellt mehrere Filmkühlungslöcher 42 im Inneren entsprechender flacher Gräben 14 in Anwendung auf einen Duschkopf-Filmkühlungsbereich 50 eines Turbinenschaufelblattteils gemäss einer Ausführungsform dar. Jedes Filmkühlungsloch 42 hat eine im Wesentlichen in der Längsrichtung 46 des entsprechenden flachen Grabens 14 und im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 16 des entsprechenden flachen Grabens 14 ausgerichtete Mittenachse. FIG. 5 illustrates a plurality of film cooling holes 42 inside respective shallow trenches 14 applied to a showerhead film cooling section 50 of a turbine blade blade member according to an embodiment. Each film cooling hole 42 has a substantially longitudinal direction 46 of the corresponding shallow trench 14 and substantially aligned parallel to the side walls 16 of the corresponding shallow trench 14 center axis.
[0014] Fig. 6 ist eine Endansicht der Filmkühlungslöcher 42 im Inneren des auf dem Schaufelblattteil 40 angeordneten flachen Grabens 14. Ein Substrat 60 (auch Schaufelblattsubstrat oder Komponentensubstrat genannt) repräsentiert die Wand eines Schaufelblattteils, welches eine Kühlung auf einer oder mehreren Oberflächen benötigt (z.B. die Wand des Schaufelblattteils 40 in Fig. 4 ). Das Substrat 60 enthält eine heisse Oberfläche 62 und eine kühlere Oberfläche 64. In Fig. 3 mit 30 bezeichnete Verbrennungsgase werden üblicherweise über das Schaufelblattteil 40 (d.h., über die beschichtete Oberfläche 73) geleitet. Kühlluft 32 strömt von der kühleren Oberfläche durch Filmkühlungslöcher 42 nach oben. Die Filmkühlungslöcher haben einen durchschnittlichen Durchgangsdurchmesser 76. Das Substrat 60 ist teilweise mit einer Haftschicht 70 und einer darüberliegenden Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) 72 beschichtet. In dieser Ausführungsform ist der flache Graben 14 in der Haftschicht 70 und der TBC 72 ausgebildet und hat eine gewünschte Tiefe. Üblicherweise (jedoch nicht immer) sind die Seitenwände 16 des flachen Grabens 14 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Oberfläche 62 des Substrates 60. (Somit sind die Seitenwände 16 üblicherweise im Wesentlichen rechtwinklig zu der Bodenoberfläche 80 des Grabens 14). 6 is an end view of the film cooling holes 42 in the interior of the shallow trench 14 disposed on the airfoil member 40. A substrate 60 (also called the airfoil substrate or component substrate) represents the wall of an airfoil member that requires cooling on one or more surfaces (FIG. eg the wall of the airfoil part 40 in FIG. 4). The substrate 60 includes a hot surface 62 and a cooler surface 64. Combustion gases designated 30 in Fig. 3 are typically directed over the airfoil portion 40 (i.e., over the coated surface 73). Cooling air 32 flows upwardly from the cooler surface through film cooling holes 42. The film cooling holes have an average passage diameter 76. The substrate 60 is partially coated with an adhesive layer 70 and an overlying thermal barrier coating (TBC) 72. In this embodiment, the shallow trench 14 is formed in the adhesive layer 70 and the TBC 72 and has a desired depth. Usually (but not always), the sidewalls 16 of the shallow trench 14 are substantially perpendicular to the surface 62 of the substrate 60. (Thus, the sidewalls 16 are typically substantially perpendicular to the bottom surface 80 of the trench 14).
[0015] Gemäss einer Ausführungsform ist die Mittellinie 44 der Filmkühlungslöcher 42 zwischen etwa 15 Grad und etwa 50 Grad in Bezug auf die Bodenoberfläche 80 des in Fig. 7 dargestellten Grabens 14 ausgerichtet. Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist die Mittellinie der Filmkühlungslöcher 42 zwischen etwa 20 Grad und etwa 35 Grad in Bezug auf die Bodenoberfläche 80 des Grabens 14 ausgerichtet. Die Breite des Grabens 14 ist im Wesentlichen gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung gleich der maximalen Durchgangsbreite des Filmkühlungsloches 42. Wenn ein Filmkühlungsloch perfekt in der Längsrichtung seines entsprechenden Grabens ausgerichtet ist, ist dann die Breite gleich dem Filmkühlungsdurchmesser für ein rundes Filmkühlungsloch. Wenn das Filmkühlungsloch 42 etwas ausserwinklig ausgerichtet ist, wie z.B. bis zu 20 Grad, kann dann die Breite grösser sein. Es dürfte sich verstehen, dass die Grabenbreite grösser als der Filmkühlungslochaustritt sein kann und trotzdem gut funktioniert, um die gewünschten Kühlergebnisse gemäss dem hierin beschriebenen Prinzip unabhängig davon zu erreichen, ob das Filmkühlungsloch perfekt ausgerichtet ist oder nicht. Eine Ausführungsform verwendet eine Grabenbreite von etwa dem 1,0- bis etwa 1,5-fachen der maximalen Austrittsflächenbreite ihrer entsprechenden Filmkühlungslöcher 42. Es dürfte sich verstehen, dass ein Graben 14 keine perfekten Viereckeigenschaften haben muss. Irgendeine oder mehrere von den oberen Ecken des Grabens 14 können etwas abgerundet oder abgefast sein, und eine oder mehrere von den Innenecken des Grabens 14 können kleine Übergänge enthalten. According to one embodiment, the centerline 44 of the film cooling holes 42 is aligned between about 15 degrees and about 50 degrees with respect to the bottom surface 80 of the trench 14 shown in FIG. According to another embodiment, the centerline of the film cooling holes 42 is aligned between about 20 degrees and about 35 degrees with respect to the bottom surface 80 of the trench 14. The width of the trench 14 is substantially equal to the maximum passage width of the film cooling hole 42 according to a first aspect of the invention. When a film cooling hole is perfectly aligned in the longitudinal direction of its corresponding trench, then the width is equal to the film cooling diameter for a round film cooling hole. If the film cooling hole 42 is slightly out of the way, e.g. up to 20 degrees, then the width can be greater. It should be understood that the trench width may be greater than the film cooling hole exit and still work well to achieve the desired cooling results according to the principle described herein, regardless of whether the film cooling hole is perfectly aligned or not. One embodiment uses a trench width of about 1.0 to about 1.5 times the maximum exit face width of their respective film cooling holes 42. It should be understood that a trench 14 need not have perfect quadrilateral properties. Any one or more of the upper corners of the trench 14 may be slightly rounded or chamfered, and one or more of the inner corners of the trench 14 may include small transitions.
[0016] In einigen Ausführungsformen ist die Tiefe des flachen Grabens 14 weniger als der durchschnittliche Durchgangsdurchmesser der Filmkühlungslöcher 42. In weiteren Ausführungsformen ist die Tiefe des flachen Grabens 14 weniger als etwa 50% des durchschnittlichen Durchgangsdurchmessers der Filmkühlungslöcher 42. Diese relativen Abmessungen stehen in deutlichem Gegensatz zu tiefen Schlitzen, die oft nach dem Stand der Technik angewendet werden. In some embodiments, the depth of the shallow trench 14 is less than the average passage diameter of the film cooling holes 42. In further embodiments, the depth of the shallow trench 14 is less than about 50% of the average passage diameter of the film cooling holes 42. These relative dimensions are significant Contrary to deep slots, which are often applied according to the state of the art.
[0017] Gemäss Darstellung in Fig. 6 dient der Graben 14 als ein «Überlauf»-Graben für das die Kühllöcher 42 verlassende Kühlmittel 32. Die Seitenwände 16 lenken die Strömung des Kühlmittels 32. Demzufolge verteilt sich das Kühlmittel in dem Graben, bevor es den Graben entlang der heissen Oberfläche 73 (d.h., der beschichteten Oberfläche 62) verlässt. Das Kühlmittel steht somit in engem Kontakt mit der heissen Oberfläche, statt sie schnell davon zu trennen, da die verstärkte Kühlmittelverteilung über der heissen Oberfläche nun weniger gegen Turbulenzeffekte der freien Anströmung empfindlich und auch toleranter gegenüber Effekten aufgrund von Ablagerungen auf der Oberfläche ist. Dieses führt wiederum, wie hierin vorstehend festgestellt, zu einer besseren Kühleffektivität für das Schaufelblattteil 40. 6, the trench 14 serves as an "overflow" trench for the coolant 32 exiting the cooling holes 42. The side walls 16 direct the flow of the coolant 32. As a result, the coolant spreads in the trench before it leaves the trench along the hot surface 73 (ie, the coated surface 62). The coolant is thus in close contact with the hot surface, rather than being quickly separated therefrom, since the increased coolant distribution over the hot surface is now less sensitive to free flow turbulence effects and also more tolerant of surface deposit effects. This in turn, as stated hereinabove, results in better cooling efficiency for the airfoil portion 40.
[0018] Fig. 7 ist eine Ansicht quer zu der Längsrichtung 46 des in den Fig. 4 und 6 dargestellten flachen Grabens 14, die eine andere Ansicht der Mittenachse 44 eines in der Längsrichtung 46 des Grabens 14 ausgerichteten Filmkühlungsloches 42 darstellt. Fig. 7 is a transverse view of the longitudinal direction 46 of the shallow trench 14 shown in Figs. 4 and 6, illustrating another view of the center axis 44 of a film cooling hole 42 aligned in the longitudinal direction 46 of the trench 14.
[0019] Zusammengefasst werden hierin eine Struktur und ein Verfahren zur Verbesserung der Filmkühlung für eine Vielfalt von Turbinenlaufschaufelstellen beschrieben, die ohne Beschränkung darauf, die Duschkopffilm- und die Filmkühlungslöcher auf den vorderen Endwandbereichen eines Turbinenschaufelblattes beinhalten. Reihen von Filmkühlungslöchern oder mit Filmkühlungslöchern, die axial entlang der Grabenbreitenseite in flachen Gräben angeordnet sind, sind durch Filmkühlungslöcher ersetzt, die eine Mittenachse haben, die im Wesentlichen in der Längsrichtung der entsprechenden Gräben ausgerichtet ist. Die Verwendung des flachen Grabens verstärkt die Verteilung der Filmkühlung, was die Filmkühlung weniger empfindlich gegen Turbulenzeffekte einer freien Anströmung und auch toleranter gegen Effekte aufgrund von Abscheidungen auf der Oberfläche des Turbinenschaufelblattes macht. Es dürfte sich verstehen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen in keiner Weise auf die Verwendung von runden Filmkühlungslöchern beschränkt sind und dass viele weitere Filmkühlungslochformen eingesetzt werden können, um die Vorteile gemäss den hierin beschriebenen Prinzipien bereitzustellen. In summary, a structure and method for improving film cooling for a variety of turbine blade locations is described herein, including, but not limited to, the showerhead film and film cooling holes on the forward end wall portions of a turbine bucket blade. Rows of film cooling holes or with film cooling holes arranged axially along the trench width side in shallow trenches are replaced by film cooling holes having a central axis that is oriented substantially in the longitudinal direction of the respective trenches. The use of the shallow trench enhances the distribution of film cooling, making film cooling less susceptible to turbulence effects of free flow and also more tolerant to effects due to deposits on the surface of the turbine bucket blade. It should be understood that the embodiments described herein are in no way limited to the use of round film cooling holes and that many other film cooling hole shapes may be employed to provide the benefits in accordance with the principles described herein.
[0020] Die Ausrichtung von Filmkühlungslöchern, im Allgemeinen von Reihen von Filmkühlungslöchern, die in einem Winkel durch das Substrat hindurch, aber entlang der Richtung des Grabens statt quer zu der Richtung des Grabens (d.h., entlang der Grabenbreite ausgerichtet) bewirkt, dass die Filmstrahlen in den Graben austreten, ohne auf die Seitenwände oder andere Hindernisse zu treffen. Die Kühlmittelströmung füllt leichter den Graben, bevor sie auf die äussere aerodynamische Oberfläche der Komponente als eine nahezu gleichmässige Filmkühlungsschicht austritt. Diese Struktur ist besonders nützlich für Reihen von Filmkühlungslöchern, die ansonsten durch die Fertigung auf Ausrichtungen in festen Richtungen beschränkt sind, wie z.B. die Duschkopffilmreihen, die radial sind, und auch vordere Endwandfilmreihen, die in Umfangsrichtung (azimutal) verlaufen. Eine Filmkühlungslochausrichtung entlang der Länge des Grabens nützt auch Filmkühlungslochreihen mit grösseren Abständen zwischen den einzelnen Filmkühlungslöchern, da der Graben als ein Pufferbereich für die Kühlmittelverteilung dient, bevor das Kühlmittel mit den heissen Hauptstromgasen in Wechselwirkung tritt. Aligning film cooling holes, generally rows of film cooling holes, at an angle through the substrate but along the direction of the trench, rather than transverse to the direction of the trench (ie, aligned along the trench width), causes the film jets exit into the ditch without hitting the side walls or other obstacles. The coolant flow more readily fills the trench before it exits the outer aerodynamic surface of the component as a nearly uniform film cooling layer. This structure is particularly useful for rows of film cooling holes that are otherwise limited by fabrication to fixed-direction alignments, such as those shown in Figs. the showerhead film series, which are radial, and also front end wall film series extending in the circumferential direction (azimuthally). Film cooling hole alignment along the length of the trench also benefits film cooling hole rows with greater spacing between the individual film cooling holes because the trench serves as a buffering area for the coolant distribution before the coolant interacts with the hot mainstream gases.
[0021] Der bzw. die flachen Gräben können gemäss einer Ausführungsform in den Schutzbeschichtungen der Komponente ausgebildet sein. Der bzw. die Gräben können sich gemäss einer weiteren Ausführungsform teilweise in dem Substrat befinden. Diese Ausführungsformen verbessern die Filmkühlungseffektivität für übliche Schaufelblattstellen, die hinsichtlich Geometrie und Fertigung eingeschränkt sind. Derartige Bereiche könnten ansonsten keine axial ausgerichteten Filmkühlungslöcher oder eben geformte Filmkühlungslöcheraustritte nutzen. Es hat sich herausgestellt, dass spezielle Ausführungsformen die regionale Schaufelblattfilmkühlung um etwa 25% gegenüber der mit bekannten Strukturen erzielbaren hinaus verbessern. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen stellen einen Vorteil in der Fähigkeit bereit, die Gesamtkühlströmung für die Turbine zu verringern und den wirtschaftlich gebotenen Wirkungsgrad zu vergrössern. The shallow trench (s) may be formed in the protective coatings of the component according to one embodiment. The trench (s) may be partially located in the substrate according to another embodiment. These embodiments improve film cooling efficiency for conventional airfoil locations that are constrained in geometry and manufacturing. Such areas could otherwise not utilize axially aligned film cooling holes or even formed film cooling hole exits. It has been found that particular embodiments improve regional airfoil film cooling by about 25% over that achievable with known structures. The embodiments described herein provide an advantage in the ability to reduce the overall cooling flow for the turbine and to increase the economic efficiency offered.
[0022] Es dürfte sich verstehen, dass Haftschichten, welche auch als Haftbeschichtungen bekannt sind, sowie TBC-Aussenbeschichtungen aus mehreren Schichten oder Zusammensetzungen bestehen können. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind nicht auf eine einfache Haftbeschichtung oder Aussenbeschichtung mit nur jeweils einer Zusammensetzung beschränkt. Exemplarische Produkte verwenden derzeit ein zweilagiges Haftbeschichtungssystem. Ferner könnte der flache Graben nur in der Aussenbeschichtung oder bis in die Haftbeschichtung oder sogar bis in das Substrat ausgebildet sein, da er von der verwendeten relativen Dicke abhängt. It should be understood that adhesive layers, which are also known as adhesive coatings, as well as TBC outer coatings may consist of several layers or compositions. The embodiments described herein are not limited to a simple adhesive coating or outer coating having only one composition each. Exemplary products currently use a two-ply bond coat system. Furthermore, the shallow trench could be formed only in the outer coating or even in the adhesive coating or even in the substrate, since it depends on the relative thickness used.
[0023] Ein Turbinenschaufelblatt 40 enthält mehrere flache Gräben 14. Jeder Graben 14 enthält mehrere darin angeordnete und entlang der Längsrichtung 46 des Grabens 14 befindliche und durch ein Schaufelblattsubstrat 60 in der Längsrichtung 46 des Grabens 14 in einem Winkel angeordnete Filmkühlungslöcher 42. A turbine bucket blade 40 includes a plurality of shallow trenches 14. Each trench 14 includes a plurality of film cooling holes 42 disposed therein and disposed along the longitudinal direction 46 of the trench 14 and angled by a blade substrate 60 in the longitudinal direction 46 of the trench 14.
[0024] Ein Filmkühlen eines erfindungsgemässen Turbinenschaufelblattes kann die folgenden Schritte aufweisen: Konfigurieren eines Turbinenschaufelblattes mit wenigstens einem flachen Graben mit einer Längsrichtung an einer gewünschten Stelle; und Erzeugen von mehreren Filmkühlungslöchern in jedem Graben, wobei jedes Filmkühlungsloch eine Mittenachse hat, die im Wesentlichen in der Längsrichtung des entsprechenden Grabens ausgerichtet ist, sodass von den mehreren Filmkühlungslöchern ausgehende Filmstrahlen in dem entsprechenden Graben im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung des entsprechenden Grabens austreten. Film cooling of a turbine blade according to the invention may comprise the following steps: Configuring a turbine bucket blade having at least one shallow trench with a longitudinal direction at a desired location; and Producing a plurality of film cooling holes in each trench, each film cooling hole having a center axis substantially aligned in the longitudinal direction of the corresponding trench so that film jets emanating from the plurality of film cooling holes exit in the corresponding trench substantially parallel to the longitudinal direction of the corresponding trench.
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