DE102009033753A1 - Hollow turbine blade i.e. hollow guide vane, film cooling method, involves passive-controlling flow separation at blade, and bending nozzles under angle in transverse direction to mainstream direction of gas and under another angle - Google Patents

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Abstract

The method involves forming a cooling film on a surface of a hollow turbine blade (12) i.e. hollow guide vane, at a convex suction side. An incineration gas flow separation at the blade is passive-controlled by eddies produced by cooling air currents, where small quantities of coolants are discharged into the area of a high mach number of the blade from cooling air nozzles (13) with small diameter. The nozzles are bent under an angle in a transverse direction to a mainstream direction (16) of the incineration gas and under another angle diagonal to the surface of the blade. An independent claim is also included for an arrangement for cooling a film of a turbine blade.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anordnung zur Filmkühlung von Turbinenschaufeln.The The invention relates to a method and an arrangement for film cooling of turbine blades.

Aus der EP 1 108 856 B1 sind Turbinenschaufeln, hier Leitschaufeln, mit unterschiedlich geneigten Filmkühlungslöchern vorbekannt. Die Leitschaufeln sind hohl, um einen Teil der Verdichterausrittsluft in sich aufzunehmen, die zum Kühlen der einzelnen Leitschaufeln verwendet wird. Um die Außenoberfläche der Leitschaufeln vor den darüber strömenden, aus der Brennkammer der Turbine kommenden heißen Verbrennungsgasen zu schützen, werden verschiedene radiale Reihen von Filmkühlungslöchern durch die Druck- und die Saugseite der Leitschaufeln hindurch geschaffen. Weil die Vorderkante der Leitschaufeln die heißen Verbrennungsgase zuerst aufnimmt, weist diese in typischer Weise mehrere Reihen von Filmkühlungslöchern in einer duschkopfartigen Anordnung auf. Die von den Filmkühlungslöchern abgegebene Kühlluft erzeugt entlang der Außenoberfläche der Leitschaufeln einen Kühlluftschutzfilm, der von Reihe zu Reihe wieder mit weiterer Kühlluft gespeist wird. Die Filmkühlluft schafft eine Barriere, die das Metall der Leitschaufeln während des Betriebes vor den heißen Verbrennungsgasen schützt. Die Hinterkante wird in typischer Weise durch eine Reihe von Hinterkantenaustrittslöchern gekühlt. Die konvexe Saugseitenwand kann weiterhin auch mehrere Reihen von Filmkühlungsaustrittslöchern zwischen der Vorderkante und dem Bereich der maximalen Dicke der Leitschaufel aufweisen, die Kühlluftfilme zum Schutz der Saugseitenwand erzeugen, die für den zusätzlichen Schutz der Hinterkante zu dieser strömen. Die verschiedenen Filmkühlungslöcher erstrecken sich im Wesentlichen in radialer Schaufelrichtung.From the EP 1 108 856 B1 are turbine blades, here guide vanes, with differently inclined film cooling holes already known. The vanes are hollow to contain a portion of the compressor discharge air used to cool the individual vanes. To protect the outer surface of the vanes from the hot combustion gases passing over it from the combustion chamber of the turbine, various radial rows of film cooling holes are created through the pressure and suction sides of the vanes. Because the leading edge of the vanes first receives the hot combustion gases, it typically has multiple rows of film cooling holes in a showerhead-like arrangement. The cooling air discharged from the film cooling holes creates along the outer surface of the vanes a cooling air protection film which is fed back to end with further cooling air from row to row. The film cooling air creates a barrier which protects the metal of the vanes from the hot combustion gases during operation. The trailing edge is typically cooled by a series of trailing edge exit holes. The convex suction side wall may further include a plurality of rows of film cooling exit holes between the leading edge and the maximum thickness portion of the vane, which provide cooling air films for protecting the suction side wall that flow thereover for added protection of the trailing edge. The various film cooling holes extend substantially in the radial blade direction.

Derartige herkömmliche Hochdruckturbinen mit ein- oder zweistufiger Ausbildung arbeiten unter hohen Temperaturen unter Über- bzw. auch unter Unterschallbedingungen. Bei der einstufigen Ausbildung einer Hochdruckturbine kann die Spitzen-Machzahl an der Saugseite ein Niveau von bis zum 1,5-Fachen erreichen, bei einer zweistufigen Ausbildung sind Spitzen-Machzahlen vom etwa 1,2-Fachen erreichbar. Tendenzen zur Verminderung der Kosten einer Baueinheit, verwirklicht durch eine Verminderung der Anzahl der Bauteile, führen zu höher beanspruchten Leit- oder Laufschaufeln, wodurch die Größe der aerodynamischen Beanspruchungen und das damit verbundene Niveau der Spitzen-Machzahl gesteigert bzw. erhöht werden.such conventional high-pressure turbines with one or two stages Training work under high temperatures under or under subsonic conditions. In the single-stage training a high-pressure turbine can be the peak Mach number on the suction side reach a level of up to 1.5 times, with a two-stage training peak Mach numbers of about 1.2 times are achievable. trends for reducing the cost of a unit realized by a reduction in the number of components lead to higher claimed vanes or blades, reducing the size the aerodynamic stresses and the associated level the peak Mach number increased or increased.

Zurückzuführen auf das Auftreten von Verdichtungsstößen auf der hinteren bzw. weiteren Saugseite solcher hochbeanspruchter Schaufeln von Hochdruckturbinen besteht darüber hinaus die Gefahr sowohl einer von einem Verdichtungsstoß induzierten Strömungsablösung bzw. eines -abrisses als auch von höheren als beabsichtigten bzw. erwarteten thermischen Beanspruchungen, was auf die Erhöhung der Wärmeübertragung zurückzuführen ist, die durch die Verdichtungsstöße und die mögliche Strömungsablösung bzw. den möglichen Strömungsabriss bewirkt werden. Die hohe thermische Beanspruchung der Leit- oder Laufschaufeln von Hochdruck-Turbinen, insbesondere in der ersten Stufe, erfordert wirksame Kühlungskonzepte. Die im Stand der Technik bekannten Kühlungskonzepte umfassen komplexe Anordnungen von Filmkühlungslöchern sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite der Schaufeln.attributable on the occurrence of compression shocks on the rear or further suction side of such highly stressed blades There is also a danger of high-pressure turbines both a flow shock induced by a compression shock demolition or higher than intended or expected thermal stresses, indicating the increase attributed to the heat transfer is that through the compression shocks and the possible Flow separation or the possible Stall can be effected. The high thermal stress the guide or blades of high pressure turbines, in particular in the first stage, requires effective cooling concepts. The cooling concepts known in the art include complex ones Arrangements of film cooling holes on both the pressure as well as on the suction side of the blades.

Auf der Saugseite verhindern konventionelle Anforderungen an die Gestaltung Filmkühlungslöcher in der Nähe des Bereiches der Spitzen-Machzahl sowohl wegen des erhöhten Niveaus an Mischungs-Verlusten als auch stromab des Öffnungsbereiches, was auf die Einführung von Regeln zur Ausführungs-Analyse bezogen auf die Massenfluss-Berechnung zurückzuführen ist.On the suction side prevent conventional design requirements Film cooling holes near the area the peak Mach number both because of the increased level at mixing losses as well as downstream of the opening area, suggesting the introduction of rules for execution analysis attributed to the mass flow calculation is.

Schließlich besteht für die Komponenten herkömmlicher Hochdruck-Turbinen ein minimaler Durchmesser für die Filmkühlungslöcher, um sicherzustellen, dass kleine, in dem sekundären Luftsystem vorhandene Partikel die Filmkühlungslöcher nicht blockieren, wodurch möglicher Weise ein unerwünschter thermischer Fehler der relevanten Komponenten bewirkt wird.After all consists of the components of conventional high-pressure turbines a minimum diameter for the film cooling holes, to ensure that small, in the secondary air system Existing particles do not affect the film cooling holes block, thereby possibly undesirable thermal error of the relevant components is effected.

Zurückzuführen auf die Konzepte der Aerodynamik und der Kühlung der Saugseite der Schaufeln muss der stromab gelegene größte Saugseitenfilm über einen sehr langen Weg in Richtung zur Hinterkante der Schaufeln aufrechterhalten werden, wodurch im Falle der Verminderung der Filmkühlung eine erhebliche Gefahr für die Unversehrtheit des thermisch sehr hoch belasteten Bereichs der Hinterkante der Schaufeln besteht. Außerdem sind für aerodynamisch sehr hoch belastete Leit- und -Laufschaufeln von Turbinen sowohl der erreichbare maximale Auftrieb als auch ein wirksamer Betätigungsbereich durch die Verdichtungsstöße von erhöhter Stärke mit verstärkender Spitzen-Machzahl begrenzt. Diese verstärken die örtliche Wärmeübertragung und die Gefahr von durch die Verdichtungsstöße induzierten Strömungsflussabtrennungen.attributable on the concepts of aerodynamics and cooling the suction side the blades must be the largest downstream Suction side film over a very long way towards Trailing edge of the blades are maintained, which in case the reduction of film cooling a significant risk for the integrity of the thermally very heavily loaded Area of the trailing edge of the blades exists. Furthermore are for highly aerodynamically loaded guide and -aufaufschaufeln of turbines both the achievable maximum lift and a effective operating range due to the compression shocks of increased strength with strengthening Peak Mach number limited. These reinforce the local Heat transfer and the risk of through Compression collisions induced flow separation.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Verbesserung der Filmkühlung insbesondere auf der Saugseite von Turbinenschaufeln zu schaffen.Of the Invention is therefore based on the object, a method and an arrangement for improving the film cooling in particular on the suction side of turbine blades to create.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine passive Steuerung der Strömungsablösung bzw. des Strömungsabrisses an den Schaufeln mittels stromartig, durch Luftströmungen erzeugter Wirbel vor, wobei kleine Mengen an Kühlungsmittel in den Bereich der Hoch-Machzahl der Schaufeln aus Kühlluftdüsen mit kleinem Durchmesser ausgestoßen werden, die zweifach sowohl in Querrichtung zur Hauptströmung bzw. in Spannweitenrichtung als auch zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt sind. Dadurch werden sowohl die Filmkühlung auf der Saugseite der Turbinenschaufeln verbessert als auch die Tendenz zur Strömungsablösung verringert.To solve this problem, the invention provides a passive control of the flow separation or the stall on the blades by means of stream-like, vortex-generated vortexes, wherein small amounts of cooling agent are ejected into the high-Mach number range of the blades from small-diameter cooling air nozzles which are two times both transverse to the main flow and to the suction side surface of the blade are inclined. This improves both the film cooling on the suction side of the turbine blades and reduces the tendency for flow separation.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Erzeugung von strömungsartigen Wirbeln mittels Kühlluftdüsen, sogenannte Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (Air Jet Vortex Generator oder AJVG) auf den Leit- oder Laufschaufeln von Hochdruckturbinen im Unter- oder Überschallbereich. Diese Kühlluftdüsen (AJVG) verbessern die Kühlluft-Strömungsflusssituation auf der Saugseite der Schaufeln und vermindern die Größe der Ablösung und deren Unregelmäßigkeiten. Das Verfahren basiert auf dem Ausstoßen kleiner Mengen an Kühlungsmittel in dem Bereich der Hoch-Machzahl der Schaufeln aus Kühlluftdüsen (AJVG) mit kleinem Durchmesser, die zweifach sowohl in Querrichtung zur Hauptströmung bzw. in Spannweitenrichtung als auch zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt sind.The The invention thus relates to a method for the production of flow-like vortices by means of cooling air nozzles, so-called air jet vortex generators (Air Jet Vortex Generator or AJVG) on the guide vanes or blades of high-pressure turbines in the subsonic or supersonic range. These cooling air nozzles (AJVG) improve the cooling air flow flow situation on the suction side of the blades and reduce the size the replacement and its irregularities. The method is based on the ejection of small quantities Coolant in the range of high-Mach number of Blades of cooling air nozzles (AJVG) with small Diameter, which is twice in both the transverse direction of the main flow or in the spanwise direction as well as to the surface of the suction side the blade are inclined.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Kühlluftdüsen oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG) liegt bei etwa dem 10 bis 30-Fachen der Grenzschichtdicke stromauf der Verdichtungsstoßwelle oder des Ablösungspunktes. Das erfindungsgemäße Verfahren und auch die erfindungsgemäße Anordnung sind ebenso für die Steuerung der Ablösung bei Leit- und Laufschaufeln hochbelasteter Turbinenschaufeln verwendbar.The inventive arrangement of the cooling air nozzles or air jet vortex generators (AJVG) is about 10 to 30 times the boundary layer thickness upstream of the compression shock wave or of the detachment point. The inventive method and also the arrangement according to the invention are the same for controlling the separation of guide vanes and rotor blades highly loaded turbine blades usable.

Erfindungsgemäß wird bei Turbinenschaufeln die Ausbildung mit herkömmlichen Filmkühlungslöchern am Anfang der Saugseite durch stromabgelegene Kühlluftdüsen mit kleinerem Durchmesser ergänzt, die sogenannten Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (Air Jet Vortex Generator oder AJVG), die über einen separaten Kühlluftkanal versorgt werden und die in zwei radialen Richtungen geneigt sind. Es wird jedoch vor allem die Tatsache hervorgehoben, dass die Kühlluftdüsen (AJVG) auch mit einem der regulären Kühlluftkanäle verbunden sein können, und weiterhin auch die Tatsache, dass der Kühlmittelverbrauch der Kühlluftdüsen, verglichen mit dem Verbrauch der regulären Filmkühlungslöcher, gering ist.According to the invention For turbine blades training with conventional Film cooling holes at the beginning of the suction side through downstream cooling air nozzles with a smaller diameter complemented, the so-called air jet vortex generators (Air Jet Vortex Generator or AJVG), which has a separate Cooling air duct are supplied and in two radial Directions are inclined. However, it emphasizes above all the fact that the cooling air nozzles (AJVG) also with one of the regular ones Cooling air ducts can be connected, and continue also the fact that the coolant consumption the cooling air nozzles, compared with the consumption the regular film cooling holes, low is.

Die Ausgestaltung der Kühlluftdüsen (AJVG) wird durch folgende Parameter bestimmt: Durchmesser D, radialer Abstand P der Düsen, Neigungswinkel α der Düsen gegenüber der Strömungsrichtung und Neigungswinkel θ der Achse der Düsen zur Oberfläche der Saugseite.The Design of the cooling air nozzles (AJVG) is through the following parameters are determined: diameter D, radial distance P of Nozzles, angle of inclination α of the nozzles opposite the flow direction and inclination angle θ the Axis of the nozzles to the surface of the suction side.

Im Rahmen der Erfindung wurde eine Anzahl von Variationen der Parameter als auch des Kühlungsmassenstromes untersucht und das Potential für die Ablösungssteuerung demonstriert. Dabei wurde ein eindeutiger Unterschied der Ablösung an einer Schaufel nur mit Filmkühlung und der Ablösung unter Anwendung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen (AJVG) festgestellt.in the The scope of the invention has been a number of variations of the parameters and the cooling mass flow and investigated the potential for the detachment control demonstrated. It became a clear Difference of separation on a blade only with film cooling and the separation using the invention Cooling air nozzles (AJVG) detected.

Die kontinuierliche Betätigung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen bewirkt also eine Stabilisierung des Ablösungsbereiches des Kühlluftfilmes auf der Oberfläche der Saugseite der Schaufeln. Dies zeigt sich durch die Stabilisierung der Verdichtungsstoßwelle, wenn die Kühlluftdüsen (AJVG) aktiviert sind. Es wurde festgestellt, dass im Falle der alleinigen herkömmlichen Filmkühlung das Kraftspektrum der Bewegung des Verdichtungsstoßes eine weitaus stärkere Aktivität aufzeigt als verglichen mit dem Fall, wenn die Kühlluftdüsen (AJVG) eingeschaltet sind. Diese Beobachtung lässt auf eine verbesserte aerodynamische Stabilität des aerodynamischen Betätigungspunktes als auch auf ein vermindertes Niveau der mechanischen Beanspruchung der Leitschaufeln schließen.The continuous actuation of the invention Cooling air nozzles thus causes a stabilization the separation region of the cooling air film on the surface of the suction side of the blades. this shows stabilizing the compression shock wave, when the cooling air nozzles (AJVG) are activated. It was found that in the case of the sole conventional Film cooling the force spectrum of the movement of the compression stroke shows a much stronger activity than compared with the case when the cooling air nozzles (AJVG) turned on are. This observation suggests an improved aerodynamic Stability of the aerodynamic actuation point and at a reduced level of mechanical stress Close vanes.

Hinzu kommt, dass Vorhersagen über die Filmkühlungs-Effektivität mit numerischen Berechnungsverfahren (Computational Fluid Dynamics – CFD) für Schaufeln in einer Kaskaden-Umgebung durchgeführt wurden. Die Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Erhöhung der Filmkühlungs-Effektivität stromab der Reihe von Kühlluftdüsen (AJVG), die für beide untersuchten Ausführungen klar unterscheidbar sind.in addition comes that predictions about the film cooling effectiveness with Computational Fluid Dynamics (CFD) carried out for shovels in a cascade environment were. The results show a remarkable increase the film cooling efficiency downstream of the series of cooling air nozzles (AJVG), which are suitable for both examined versions are clearly distinguishable.

Bei einer Anordnung für ungekühlte Turbinenschaufeln wird das Kühlmittel für die Betätigung der Kühlluftdüsen durch Zuführungsöffnungen in Form von Bohrungen, Löchern oder Schlitzen aus dem Bereich des Stillstandspunktes der Strömung an der Schaufel geliefert. Abhängig von der speziellen Lösung beliefern diese Zuführungsöffnungen nur eine oder eine Anzahl von Kühlluftdüsen bzw. Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG), wenn diese mit einem gemeinsamen Zuführungsraum verbunden sind, der in radialer Richtung ausgeführt ist.at an arrangement for uncooled turbine blades is the coolant for the actuation of Cooling air nozzles through feed openings in the form of holes, holes or slots in the area the standstill point of the flow delivered to the blade. Depending on the specific solution they supply Feed ports only one or a number of cooling air nozzles or air jet vortex generators (AJVG) if this with a common feeder room are connected, which is designed in the radial direction.

Die wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmale sind:

  • – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind zur Richtung des Hauptstromes unter einem Winkel von α = 60° bis 90° geneigt.
  • – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind quer zum Hauptstrom der Verbrennungsgase gerichtet.
  • – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind unter dem Winkel θ = 20° bis 45° zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt.
  • – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind unter einem kleinen Winkel schwach zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt.
  • – Der Durchmesser „D” der Kühlluftdüsen (AJVG) beträgt zwischen dem 1- bis 3-Fachen der Grenzschichtverdrängungsdicke δ1 (boundary layer displacement thickness) des Kühlluftfilmes auf der Oberfläche der konvexen Saugseite der Schaufel.
  • – Das Verhältnis zwischen dem Abstand „P” und dem Durchmesser „D” der Kühlluftdüsen liegt bei P/D = 10 bis 30.
  • – Die Länge der Kühlluftdüsen oder des Luftstrahl-Wirbelgenerators (AJVG) beträgt wenigstens das 3- bis 5-fache des Durchmessers „D”.
  • – Die Luftzufuhr ist passiv, d. h. es werden keine zusätzlichen Energiequellen für die Kühlluft benötigt, und die Luftzufuhr erfolgt von einem Kühlungskanal oder von der Oberfläche der Turbinenschaufel im Bereich der Vorderkante.
The essential features of the invention are:
  • - The cooling air nozzles (AJVG) are inclined to the direction of the main flow at an angle of α = 60 ° to 90 °.
  • - The cooling air nozzles (AJVG) are directed across the main flow of the combustion gases.
  • - The cooling air nozzles (AJVG) are inclined at an angle θ = 20 ° to 45 ° to the surface of the suction side of the blade.
  • - The cooling air nozzles (AJVG) are weak at a small angle to the surface of the Saugsei te the blade inclined.
  • The diameter "D" of the cooling air nozzles (AJVG) is between 1 to 3 times the boundary layer displacement thickness δ1 of the cooling air film on the surface of the convex suction side of the blade.
  • - The ratio between the distance "P" and the diameter "D" of the cooling air nozzles is P / D = 10 to 30.
  • - The length of the cooling air nozzles or the AJVG is at least 3 to 5 times the diameter "D".
  • - The air supply is passive, ie no additional energy sources are needed for the cooling air, and the air is supplied from a cooling duct or from the surface of the turbine blade in the area of the front edge.

Die Erfindung ermöglicht höhere aerodynamische Belastungen durch eine Verzögerung der Strömungsablösung und damit eine Verbesserung der Filmkühlungswirkung auf der hinteren Saugseite der Lauf- oder Leitschaufeln von Turbinen. Aufgrund der Anordnung der Kühlluftdüsen dichter zum thermisch kritischen Bereich im Bereich der Hinterkante der Saugseite können auch Ersparnisse im Gesamtverbrauch an Kühlungsmittel erreicht werden. Das Verfahren ist ein passives Verfahren und benötigt keine zusätzliche Energie zum Betrieb der Kühlluftdüsen. Es wird das Kühlmittel verwendet, das durch die Turbinenschaufeln zugeführt wird. Dadurch erfordert der durch das Kühlsystem betriebene Kühlluftstrahl kein zusätzliches Kühlvolumen, und es wird zu einem der Elemente des Lochkühlungssystems. Das gleiche gilt, wenn die Kühlluft aus dem Bereich der Vorderkante der Schaufel zugeführt wird. Die Erfindung erbringt Stabilisierungseffekte auf das Verhalten des Verdichtungsstoßes durch die Stabilisierung und Verminderung der Größe des Ablösungsbereiches.The Invention allows higher aerodynamic loads by delaying the flow separation and thus an improvement of the film cooling effect the rear suction side of the blades or vanes of turbines. Due to the arrangement of the cooling air nozzles denser to the thermally critical area in the area of the trailing edge of the Suction side can also save on total consumption Coolant can be achieved. The procedure is a passive one Method and does not require additional energy for the operation of the cooling air nozzles. It becomes the coolant used by the turbine blades. As a result, the cooling air jet operated by the cooling system does not require additional cooling volume, and it becomes one of Elements of the hole cooling system. The same is true, though the cooling air from the area of the leading edge of the blade is supplied. The invention provides stabilization effects on the behavior of the compression shock by the stabilization and reducing the size of the separation area.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Filmkühlung an Turbinenschaufeln wird nachfolgend anhand der erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlluftdüsen in Form von Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG) näher erläutert. Es zeigt:The inventive method for film cooling on turbine blades is described below with reference to the invention Arrangement of cooling air nozzles in the form of air jet vortex generators (AJVG) explained in more detail. It shows:

1 einen Querschnitt durch eine Leitschaufel einer Hochdruckturbine mit herkömmlichen Kühlluftlöchern zur Erzeugung eines Kühlluftfilmes auf der Saugseite der Leitschaufel gemäß dem Stand der Technik, 1 a cross section through a guide vane of a high-pressure turbine with conventional cooling holes for producing a cooling air film on the suction side of the guide vane according to the prior art,

2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht auf die Saugseite einer Laufschaufel mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlluftdüsen oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG), 2 a perspective, partially sectioned view of the suction side of a blade with the inventive arrangement of cooling air nozzles or air jet vortex generators (AJVG),

3 die Anordnung der im Stand der Technik vorbekannten Filmkühlungslöcher und der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen (AJVG) in einer Schnittdarstellung einer Laufschaufel, 3 the arrangement of the prior art known film cooling holes and the cooling air nozzles according to the invention (AJVG) in a sectional view of a blade,

4 eine Prinzipdarstellung der Winkelausrichtung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJGV), 4 a schematic representation of the angular orientation of the cooling air nozzles according to the invention or air jet vortex generators (AJGV),

5 die Anordnung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren und deren Kühlluftzufuhr bei Turbinenschaufeln ohne Filmkühlung und 5 the arrangement of the cooling air nozzles according to the invention or air jet vortex generators and their cooling air supply in turbine blades without film cooling and

6 die Anordnung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJGV),

  • a) mit Kühlluftzufuhr aus einem inneren Kühlluftkanal der Laufschaufel und
  • b) mit Kühlluftzufuhr aus dem Bereich der Vorderkante der Turbinenschaufel.
6 the arrangement of the cooling air nozzles according to the invention or air jet vortex generators (AJGV),
  • a) with cooling air from an inner cooling air duct of the blade and
  • b) with cooling air supply from the region of the leading edge of the turbine blade.

Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine innen hohl ausgebildete Leitschaufel 1 gemäß dem Stand der Technik bei einer herkömmlichen Hochdruckturbine. Die konvexe Saugseite 2 und die konkave Duckseite 3 befinden sich zwischen der von den aus der Brennkammer der Turbine kommenden heißen Verbrennungsgasströmung 6 zuerst angeströmten Vorderkante 4 und der Hinterkante 5 der Leitschaufel 1. Im hohlen Innenraum der Leitschaufel 1 sind Kühlluftkanäle 7, 8 ausgebildet, die zum Kühlen der Leitschaufel 1 mit Verdichteraustrittsluft beliefert werden. Im Bereich der Vorderkante 4 sowie am Anfang und in der Mitte der Druckseite 3 sind in der metallischen Wandung 11 der Leitschaufel 1 mehrere Reihen von Kühlluftlöchern 9, 10 vorgesehen, die sich im wesentlichen radial durch die metallische Wandung 11 der Leitschaufel 1 erstrecken.The 1 shows a cross section through an internally hollow guide vane 1 according to the prior art in a conventional high-pressure turbine. The convex suction side 2 and the concave duck side 3 are located between the hot from the combustion chamber of the turbine hot combustion gas flow 6 first streamed leading edge 4 and the trailing edge 5 the vane 1 , In the hollow interior of the vane 1 are cooling air channels 7 . 8th designed for cooling the vane 1 supplied with compressor outlet air. In the area of the front edge 4 as well as at the beginning and in the middle of the printed page 3 are in the metallic wall 11 the vane 1 several rows of cooling air holes 9 . 10 provided, which extends substantially radially through the metallic wall 11 the vane 1 extend.

Die Kühlluftlöcher 9, 10 haben einen relativ grossen Durchmesser, um sicherzustellen, dass in dem sekundären Luftsystem der Verdichteraustrittsluft vorhandene kleine Partikel die Kühlluftlöcher 9, 10 nicht blockieren.The cooling air holes 9 . 10 have a relatively large diameter to ensure that small particles present in the secondary air system of the compressor discharge air are the cooling air holes 9 . 10 do not block.

Die von den Kühlluftlöchern 9, 10 abgegebene Kühlluft erzeugt entlang der Außenoberfläche der Leitschaufel 1, insbesondere auf deren konvexer Saugseite 2, eine Grenzschicht in Form eines Kühlluftfilms, der von Reihe zu Reihe der Kühlluftlöcher 9, 10 wieder mit Kühlluft gespeist wird. Der Kühlluftfilm schafft eine Barriere, die das Metall der Leitschaufel 1 während des Betriebes vor den heißen Verbrennungsgasen schützen soll.The from the cooling air holes 9 . 10 discharged cooling air generated along the outer surface of the vane 1 , in particular on the convex suction side 2 , a boundary layer in the form of a cooling air film, from row to row of the cooling air holes 9 . 10 is fed with cooling air again. The cooling air film creates a barrier that holds the metal of the vane 1 protect during operation against the hot combustion gases.

Der Kühlluftfilm muss auf der konvexen Saugseite 2 der Leitschaufel 1 von der Vorderkante 4 bis zur Hinterkante 5 über einen sehr langen Weg aufrechterhalten werden, wobei im Falle der Verminderung des Kühlluftfilmes auf diesem langen Weg eine erhebliche Gefahr für die thermische Unversehrtheit des thermisch sehr hoch belasteten Bereichs der Hinterkante 5 der Leitschaufel 1 besteht. Auch sind für aerodynamisch sehr hoch belastete Leitschaufeln 1 sowohl der erreichbare maximale Auftrieb als auch ein wirksamer Betätigungsbereich durch in dem Kühlluftfilm auftretende Verdichtungsstöße von erhöhter Stärke mit verstärkender Spitzen-Machzahl begrenzt. Diese verstärken die örtliche Wärmeübertragung und die Gefahr der Ablösung des Kühlluftfilmes.The cooling air film must be on the convex suction side 2 the vane 1 from the front edge 4 to the trailing edge 5 be maintained over a very long way, which in the case of reducing the cooling air film on this long way a significant risk to the thermal Unver Consistency of the thermally very heavily loaded area of the trailing edge 5 the vane 1 consists. Also are aerodynamically very heavily loaded vanes 1 limited both the achievable maximum lift and an effective operating range by occurring in the cooling air film compression shocks of increased strength with increasing peak Mach number. These increase the local heat transfer and the risk of detachment of the cooling air film.

Die 2 zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht auf die konvexe Saugseite 15 einer hohlen Turbinenschaufel 12 mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlluftdüsen 13 in Form von Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (Air Jet Vortex Generator oder AJVG). Diese sind im Bereich des Unter- oder Überschalls noch vor dem Bereich der höchsten Geschwindigkeiten auf der konvexen Saugseite 15 der Turbinenschaufel 12 angeordnet und verbessern den Kühlluftstrom auf der konvexen Saugseite 15 der Turbinenschaufel 12 erheblich, indem diese die Größe der Ablösung des Kühlluftfilmes und dessen Unregelmäßigkeiten vermindern. Die Kühlluftdüsen 13 sind in einem Abstand von der Vorderkante 14 in die konvexe Saugseite 15 der Turbinenschaufeln 12 eingebracht und mit einem kleinen Durchmesser D ausgebildet. Die Kühlluftdüsen 13 sind gemäß 4 zur Erzeugung strömungsseitiger Wirbel unter einem ersten Winkel α zwischen 60° und 90° in Querrichtung zur Hauptströmungsrichtung 16 des Verbrennungsgases und unter einem zweiten Winkel θ von 20° bis 45° schräg zur Oberfläche der konvexen Saugseite 15 der Turbinenschaufeln 12 geneigt angeordnet. Durch die Kühlluftdüsen 13 (AJVG) mit kleinem Durchmesser, die zweifach sowohl in Querrichtung zur Verbrennungsgasströmung 16 bzw. in Spannweitenrichtung als auch schräg zur Oberfläche der Turbinenschaufeln 12 geneigt angeordnet sind, werden kleine Mengen an Kühlungsmittel in den Bereich der Hoch-Machzahl der Turbinenschaufeln 12 ausgestoßen. Die Anordnung der Kühlluftdüsen 13 beträgt etwa das 10- bis 30-Fache der Grenzschichtdicke stromauf der Verdichtungsstoßwelle oder des Ablösungspunktes.The 2 shows a perspective, partially sectional view of the convex suction side 15 a hollow turbine blade 12 with the inventive arrangement of cooling air nozzles 13 in the form of air jet vortex generators (Air Jet Vortex Generator or AJVG). These are in the range of under- or supersonic even before the range of the highest speeds on the convex suction side 15 the turbine blade 12 arranged and improve the cooling air flow on the convex suction side 15 the turbine blade 12 significantly, by reducing the size of the separation of the cooling air film and its irregularities. The cooling air nozzles 13 are at a distance from the front edge fourteen in the convex suction side 15 the turbine blades 12 introduced and formed with a small diameter D. The cooling air nozzles 13 are according to 4 for generating flow-side vortex at a first angle α between 60 ° and 90 ° in the transverse direction to the main flow direction 16 of the combustion gas and at a second angle θ of 20 ° to 45 ° obliquely to the surface of the convex suction side 15 the turbine blades 12 arranged inclined. Through the cooling air nozzles 13 (AJVG) with a small diameter, twice in both the transverse direction of the combustion gas flow 16 or in the spanwise direction as well as obliquely to the surface of the turbine blades 12 are arranged inclined, small amounts of coolant in the range of high-Mach number of turbine blades 12 pushed out. The arrangement of the cooling air nozzles 13 is about 10 to 30 times the boundary layer thickness upstream of the compression shock wave or the separation point.

Die 2 zeigt neben der Anordnung der Kühlluftdüsen 13 (AJVG) diagrammartig die Projektion 20 des durch die in Querrichtung zur Verbrennungsgasströmung 16 ausgerichteten Kühlluftdüsen 13 erzeugten Wirbelkernes 21 des Kühlluftdüsenstrahles 22. Die strömungsstabilisierende Wirkung der Kühlluftdüsen 13 (AJVG) beruht darauf, dass durch die steile Winkelanstellung in radialer Richtung eine starke radiale Komponente der Wirbelstärke in den wandnahen Strömungsbereich (Grenzschicht) eingebracht wird, welche die Grenzschicht energetisiert und dadurch eine Strömungsablösung verzögert.The 2 shows next to the arrangement of the cooling air nozzles 13 (AJVG) Diagram the projection 20 of the transversely to the combustion gas flow 16 aligned cooling air nozzles 13 generated vortex core 21 the cooling air jet jet 22 , The flow stabilizing effect of the cooling air nozzles 13 (AJVG) is based on the fact that the steep angular adjustment in the radial direction introduces a strong radial component of the vorticity into the wall-near flow region (boundary layer), which energizes the boundary layer and thereby delays a flow separation.

Die Anordnung der im Stand der Technik nach 1 vorbekannten Kühlluftlöcher 9, 10 und der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen 13 oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG) ist in 3 in einer prinzipiellen Schnittdarstellung durch die hohle Turbinenschaufel 12 gezeigt. Es ist die Anordnung der herkömmlichen Kühlluftlöcher 9, 10 im wesentlichen vor der Vorderkante 14 bzw. am Anfang der konvexen Saugseite 15 der Turbinenschaufel 12 und die Anordnung der erfindungsgemäßen, stromab gelegenen und zweifach in radialer Richtung geneigt angeordneten Kühlluftdüsen 13 oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG) im weiteren Verlauf der konvexen Saugseite 15 gezeigt, wobei die Kühlluftdüsen 13 über einen getrennten Kühlluftkanal 17 mit Kühlluft versorgt werden.The arrangement according to the prior art 1 previously known cooling air holes 9 . 10 and the cooling air nozzles according to the invention 13 or air jet vortex generators (AJVG) is in 3 in a schematic sectional view through the hollow turbine blade 12 shown. It is the arrangement of conventional cooling air holes 9 . 10 essentially in front of the leading edge fourteen or at the beginning of the convex suction side 15 the turbine blade 12 and the arrangement of the present invention, located downstream and two-fold inclined in the radial direction cooling air nozzles 13 or air-jet vortex generators (AJVG) in the further course of the convex suction side 15 shown, with the cooling air nozzles 13 via a separate cooling air duct 17 be supplied with cooling air.

Die Kühlluftdüsen 13 (AJGV) können auch mit einem der regulären Kühlluftkanäle 7, 8 verbunden sein, jedoch ist der Kühlmittelverbrauch der Kühlluftdüsen 13 verglichen mit dem Verbrauch der regulären Kühlluftlöcher 9, 10 wesentlich geringer.The cooling air nozzles 13 (AJGV) can also use one of the regular cooling air ducts 7 . 8th be connected, but the coolant consumption of the cooling air nozzles 13 compared to the consumption of the regular cooling air holes 9 . 10 much lower.

Die 4 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Winkelausrichtung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen 13 oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG) auf der Oberfläche der konvexen Saugseite 15 der Turbinenschaufel 12. Die Anordnung und Ausgestaltung der Kühlluftdüsen 13 wird charakterisiert durch die Parameter:
Durchmesser D der Kühlluftdüsen 13: D = 0,2 bis 0,6 mm radialer Abstand P der Kühlluftdüsen 13 voneinander,
Neigungswinkel α der Kühlluftdüsen 13 gegenüber der Richtung der Verbrennungsströmung 16: α = 60° bis 90°
Neigung der Kühlluftdüsen 13 zur Oberfläche θ der konvexen Saugseite 15: θ = 20° bis 45°.
The 4 shows a schematic representation of the angular orientation of the cooling air nozzles according to the invention 13 or air jet vortex generators (AJVG) on the surface of the convex suction side 15 the turbine blade 12 , The arrangement and design of the cooling air nozzles 13 is characterized by the parameters:
Diameter D of the cooling air nozzles 13 : D = 0.2 to 0.6 mm radial distance P of the cooling air nozzles 13 from each other,
Inclination angle α of the cooling air nozzles 13 opposite to the direction of the combustion flow 16 : α = 60 ° to 90 °
Inclination of the cooling air nozzles 13 to the surface θ of the convex suction side 15 : θ = 20 ° to 45 °.

In 5 ist eine Anordnung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen 13, d. h. Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG), und deren Kühlluftzufuhr bei einer Turbinenschaufel 12 ohne herkömmliche Filmluftkühlung dargestellt. Hier wird die Kühlluft für die Betätigung der Kühlluftdüsen 13 durch Zuführungsöffnungen 19 in Form von Löchern, Bohrungen oder Schlitzen aus dem Bereich des Stillstandspunktes der Hauptströmung geliefert. Abhängig von der jeweils speziellen Lösung beliefern die Zuführungsöffnungen 19 nur eine oder eine Anzahl von Kühlluftdüsen 13 (AJVG), wenn diese mit einem gemeinsamen Zuführungskanal verbunden sind, der in radialer Richtung ausgeführt ist.In 5 is an arrangement of the cooling air nozzles according to the invention 13 , ie air jet vortex generators (AJVG), and their cooling air supply to a turbine blade 12 shown without conventional film air cooling. Here is the cooling air for the operation of the cooling air nozzles 13 through feed openings 19 supplied in the form of holes, holes or slots from the area of the standstill point of the main flow. Depending on the specific solution, the feed openings supply 19 only one or a number of cooling air nozzles 13 (AJVG), when they are connected to a common supply channel, which is designed in the radial direction.

Die 6 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen 13, in 9a mit Kühlluftzufuhr aus einem in der hohlen Turbinenschaufel 12 ausgebildeten Kühlluftkanal 17 und in 9b mit Kühlluftzufuhr über eine Zuführungsöffnung 19 aus dem Bereich der Vorderkante 14 der Turbinenschaufel 12.The 6 shows the arrangement of the cooling air nozzles according to the invention 13 , in 9a with cooling air from one in the hollow turbine blade 12 trained cooling air duct 17 and in 9b with cooling air supply via a feed opening 19 from the area of the front edge fourteen of the turbine blade 12 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Leitschaufel (hohl)vane (hollow)
22
Saugseite (konvex)suction (convex)
33
Druckseite (konkav)pressure side (concave)
44
Vorderkanteleading edge
55
Hinterkantetrailing edge
66
VerbrennungsgasströmungCombustion gas flow
7, 87, 8th
KühlluftkanalCooling air duct
9, 109 10
KühlluftlöcherCooling air holes
1111
Wandungwall
1212
Turbinenschaufel (hohl)turbine blade (hollow)
1313
Kühlluftdüse (Luftstrahl-Wirbelgenerator)Cooling air nozzle (Air jet vortex generator)
1414
Vorderkanteleading edge
1515
Saugseite (konvex)suction (convex)
1616
VerbrennungsgasströmungCombustion gas flow
1717
KühlluftkanalCooling air duct
1818
Hinterkantetrailing edge
1919
Zuführungsöffnungsupply opening
2020
Projektionprojection
2121
Wirbelkernvortex core
2222
KühlluftdüsenstrahlCooling air jet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (6)

Verfahren zur Filmkühlung von Turbinenschaufeln, wobei auf der Oberfläche der Turbinenschaufeln, insbesondere auf der konvexen Saugseite, ein Kühlfilm ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine passive Steuerung des Strömungsabrisses an den Schaufeln mittels durch Kühlluftströmungen erzeugter Wirbel vorgesehen ist, wobei kleine Mengen an Kühlungsmittel in den Bereich der Hoch-Machzahl der Schaufeln aus Kühlluftdüsen mit kleinem Durchmesser ausgestoßen werden, die unter einem ersten Winkel in Querrichtung zur Hauptströmung des Verbrennungsgases und unter einem zweiten Winkel schräg zur Oberfläche der Schaufeln geneigt sind.A method for film cooling turbine blades, wherein on the surface of the turbine blades, in particular on the convex suction side, a cooling film is formed, characterized in that a passive control of the stall is provided on the blades by means of generated by cooling air flows vortex, wherein small amounts of coolant in the area of high mach number of the blades are ejected from small diameter cooling air nozzles which are inclined at a first angle in the transverse direction to the main flow of the combustion gas and at a second angle oblique to the surface of the blades. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abstand von der Vorderkante (14) in die Saugseite (15) der Schaufeln (12) Kühlluftdüsen (13) mit kleinem Durchmesser (D) eingebracht sind, die zur Erzeugung strömungsartiger Wirbel unter einem ersten Winkel (α) zwischen 60° und 90° in Querrichtung zur Hauptströmungsrichtung (16) des Verbrennungsgases und unter einem zweiten Winkel (θ) von 20° bis 45° schräg zur Oberfläche der Saugseite (15) der Schaufeln (12) geneigt angeordnet sind.Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that at a distance from the leading edge ( fourteen ) in the suction side ( 15 ) of the blades ( 12 ) Cooling air nozzles ( 13 ) are introduced with a small diameter (D), which for generating flow-like vortex at a first angle (α) between 60 ° and 90 ° in the transverse direction to the main flow direction ( 16 ) of the combustion gas and at a second angle (θ) of 20 ° to 45 ° obliquely to the surface of the suction side ( 15 ) of the blades ( 12 ) are arranged inclined. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Kühlluftdüsen (13) zwischen 0,2 und 0,6 mm beträgt.Arrangement according to claim 2, characterized in that the diameter (D) of the cooling air nozzles ( 13 ) is between 0.2 and 0.6 mm. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Kühlluftdüsen (13) das 3- bis 5-fache des Durchmessers (D) beträgt.Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the length (L) of the cooling air nozzles ( 13 ) is 3 to 5 times the diameter (D). Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftdüsen (13) mit einem in einer hohlen Turbinenschaufel (12) ausgebildeten Kühlluftkanal (17) in Verbindung stehen und über diesen mit Kühlluft beliefert werden.Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the cooling air nozzles ( 13 ) with one in a hollow turbine blade ( 12 ) formed cooling air duct ( 17 ) and supplied with cooling air via this. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftdüsen (13) mit nahe der Vorderkante (14) einer Turbinenschaufel (12) angeordneten Zuführungsöffnungen (19) zur Belieferung mit Kühlluft in Verbindung stehen.Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the cooling air nozzles ( 13 ) near the leading edge ( fourteen ) of a turbine blade ( 12 ) arranged feed openings ( 19 ) to be supplied with cooling air.
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