DE102017209421A1 - Blade with blade tip cooling - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einem Hauptabschnitt (12) und einem mit dem Hauptabschnitt (12) verbundenen radialen Endabschnitt (14), wobei der Endabschnitt (14) wenigstens eine in Radialrichtung über den Hauptabschnitt (12) vorstehende Endwandung (16) aufweist, die bezogen auf eine umströmten Profilquerschnitt der Laufschaufel (10) umlaufend ausgebildet ist, derart dass durch die Endwandung (16) im radialen Endabschnitt (14) eine Ausnehmung (18) begrenzt ist, wobei im Bereich der Endwandung (16) oder/und in einem Grundabschnitt (20) der Ausnehmung (18) wenigstens ein Kühlkanal (30) vorgesehen ist, um den Endabschnitt (14) der Laufschaufel (10) mittels Kühlluft (34) zu kühlen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Endwandung (16) einen die Ausnehmung (18) begrenzenden inneren Wandabschnitt (16b) und einen äußeren Wandabschnitt (16a) aufweist, zwischen denen der wenigstens eine Kühlkanal (30) ausgebildet ist, wobei der Kühlkanal (30) im Bereich der radialen Enden des inneren Wandabschnitts (16b) und des äußeren Wandabschnitts (16a) eine Öffnung (32) aufweist, durch die Kühlluft (34) im Wesentlichen in Radialrichtung austreten kann.The invention relates to a rotor blade for a gas turbine, in particular an aircraft gas turbine, having a main portion (12) and a radial end portion (14) connected to the main portion (12), the end portion (14) projecting at least one radially beyond the main portion (12) Endwandung (16), which is circumferentially formed relative to a flow-around profile cross-section of the blade (10), such that a recess (18) is bounded by the end wall (16) in the radial end portion (14), wherein in the region of the end wall (16 ) and / or in a base portion (20) of the recess (18) at least one cooling channel (30) is provided to cool the end portion (14) of the blade (10) by means of cooling air (34). According to the invention, it is proposed that the end wall (16) has an inner wall section (16b) delimiting the recess (18) and an outer wall section (16a) between which the at least one cooling channel (30) is formed, wherein the cooling channel (30) Portion of the radial ends of the inner wall portion (16b) and the outer wall portion (16a) has an opening (32) through which cooling air (34) can emerge substantially in the radial direction.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einem Hauptabschnitt und einem mit dem Hauptabschnitt verbundenen radialen Endabschnitt, wobei der Endabschnitt wenigstens eine in Radialrichtung über den Hauptabschnitt vorstehende Endwandung aufweist, die bezogen auf eine umströmten Profilquerschnitt der Laufschaufel umlaufend ausgebildet ist, derart dass durch die Endwandung im radialen Endabschnitt eine Ausnehmung begrenzt ist, wobei im Bereich der Endwandung oder/und in einem Grundabschnitt der Ausnehmung wenigstens ein Kühlkanal vorgesehen ist, um den Endabschnitt der Laufschaufel mittels Kühlluft zu kühlen.The present invention relates to a rotor blade for a gas turbine, in particular an aircraft gas turbine, having a main portion and a radial end portion connected to the main portion, wherein the end portion has at least one radially extending over the main portion end wall, which is circumferentially formed with respect to a flow-around profile cross-section of the blade in that a recess is delimited by the end wall in the radial end section, wherein at least one cooling channel is provided in the region of the end wall and / or in a base section of the recess in order to cool the end section of the blade by means of cooling air.
Richtungsangaben wie „Axial-“ bzw. „axial“, „Radial-“ bzw. „radial“ und „Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.Directional information such as "axial" or "axial", "radial" or "radial" and "circumferential" are basically based on the machine axis of the gas turbine to understand, unless the context explicitly or implicitly otherwise results.
Der hier verwendete Begriff Endabschnitt wird im Fachjargon auch als Schaufelspitze bezeichnet. Der hier verwendete Begriff Endwandung kann auch als Schaufelkrone bezeichnet werden.The term Endabschnitt used here is referred to in the jargon as a blade tip. The term end wall used here can also be referred to as a blade crown.
Aus der
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Schaufelspitzenkühlung besteht die Gefahr, dass im Betrieb der Gastrubine durch das Anstreifen der Schaufelspitze das radiale Ende, insbesondere die durchgehende, den Kühlkanal abschließende Endfläche, abgetragen oder beschädigt wird, wodurch die Kühlung der Schaufelspitze beeinträchtigt ist. Um dieser Gefahr entgegenzuwirken, weist eine solche Endfläche eine relativ große radiale Dicke auf, so dass während der üblichen Lebenszeit einer Laufschaufel der vollständige Abtrag der radialen Endfläche nicht eintritt. Diese Ausgestaltung hat allerdings den Nachteil, dass an einem radial weit außen liegenden Abschnitt, insbesondere radial zu äußerst an der Laufschaufel viel Material vorhanden ist, das unter Wirkung der Zentrifugalkräfte einen ungünstige Wirkung auf die gesamte Laufschaufel hat.In such an embodiment of the blade tip cooling, there is a risk that the radial end, in particular the continuous, the cooling channel final end surface, is removed or damaged during operation of the gas turbines by the brushing of the blade tip, whereby the cooling of the blade tip is impaired. To counteract this danger, such an end surface has a relatively large radial thickness, so that the complete removal of the radial end surface does not occur during the usual lifetime of a blade. However, this embodiment has the disadvantage that at a radially far outer portion, in particular radially to extremely on the blade much material is present, which has an adverse effect on the entire blade under the action of centrifugal forces.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laufschaufel bereitzustellen, bei der die bekannten Nachteile verringert oder gar vermieden werden können.The object of the invention is to provide a blade in which the known disadvantages can be reduced or even avoided.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Endwandung einen die Ausnehmung begrenzenden inneren Wandabschnitt und einen äußeren Wandabschnitt aufweist, zwischen denen der wenigstens eine Kühlkanal ausgebildet ist, wobei der Kühlkanal im Bereich der radialen Enden des inneren Wandabschnitts und des äußeren Wandabschnitts eine Öffnung aufweist, durch die Kühlluft im Wesentlichen in Radialrichtung austreten kann.According to a first aspect of the invention it is proposed that the end wall has a recess bounding the inner wall portion and an outer wall portion, between which the at least one cooling channel is formed, wherein the cooling channel in the region of the radial ends of the inner wall portion and the outer wall portion an opening can escape through the cooling air substantially in the radial direction.
Die beiden Wandabschnitte sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet, wobei entlang der Umlaufrichtung der Wandabschnitte wenigstens ein Kühlkanal vorgesehen ist. Der Kühlkanal kann dabei als ein umlaufender, im Wesentlichen durchgängiger Kanal ausgebildet sein, der durch die beiden Wandabschnitte begrenzt ist. Die beiden Wandabschnitte können aber auch abschnittsweise miteinander verbunden sein, so dass entlang der Umlaufrichtung mehrere Kühlkanäle gebildet sind, die durch Trennwände voneinander getrennt sind, wobei die Trennwände sich im Wesentlichen quer zum Verlauf der beiden Wandabschnitte erstrecken. Durch eine derartige Ausgestaltung von in Radialrichtung offenen Kanälen kann insbesondere in den radial äußeren Bereichen, also insbesondere im Endabschnitt der Laufschaufel, Material eingespart werden, so dass weniger starke Zentrifugalkräfte wirken. Im Falle des Anstreifens der Laufschaufel im Betrieb werden in der Regel beide Wandabschnitte in Radialrichtung abgetragen bzw. verkürzt, wodurch auch der wenigstens eine Kühlkanal in Radialrichtung verringert wird. Dies hat aber kaum einen oder gar keinen Einfluss auf die grundsätzliche Wirkungsweise der Kühlung des Endabschnitts der Laufschaufel, weil die grundsätzliche Struktur des Endabschnitts nicht beschädigt wird.The two wall sections are preferably formed substantially parallel to one another, wherein along the circumferential direction of the wall sections at least one cooling channel is provided. The cooling channel may be formed as a circumferential, substantially continuous channel, which is bounded by the two wall sections. However, the two wall sections can also be connected to each other in sections, so that along the circulation direction a plurality of cooling channels are formed, which are separated by partitions, wherein the partitions extend substantially transverse to the course of the two wall sections. Such a configuration of channels which are open in the radial direction can save material, in particular in the radially outer regions, that is to say in particular in the end section of the rotor blade, so that less strong centrifugal forces act. In the case of the brushing of the blade during operation, both wall sections are usually removed or shortened in the radial direction, as a result of which the at least one cooling channel in the radial direction is also reduced. However, this has little or no influence on the basic mode of operation of the cooling of the end portion of the blade because the basic structure of the end portion is not damaged.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass in der Ausnehmung luftdurchlässige Füllmittel angeordnet sind, die mit der Endwandung und dem Grundabschnitt der Ausnehmung verbunden sind. Derartige Füllmittel ermöglichen den Durchtritt von Kühlluft im Bereich der Ausnehmung. Ferner kann durch die Füllmittel die Materialoberfläche vergrößert werden, so dass beispielsweise im Falle des Anstreifens der Laufschaufel durch Reibung erzeugte Wärme gut verteilt und die Schaufelspitze (Endabschnitt) effizient gekühlt werden kann.According to a second aspect of the invention is proposed to achieve the object that in the recess air-permeable filler means are arranged, which are connected to the end wall and the base portion of the recess. Such fillers allow the passage of cooling air in the region of the recess. Further, the material surface can be increased by the fillers, so that heat generated by friction, for example, in the case of brushing the blade, can be well distributed and the blade tip (end portion) can be efficiently cooled.
Die luftdurchlässigen Füllmittel können auch in einem Kühlkanal angeordnet sein.The air-permeable filler can also be arranged in a cooling channel.
Es wird vorgeschlagen, dass die luftdurchlässigen Füllmittel durch eine poröse Materialanordnung gebildet sind. Dabei kann die poröse Materialanordnung eine gitterartige oder matrixartige oder netzartige oder schwammartige Materialanordnung sein. Es ergibt sich insbesondere eine Struktur mit untereinander verbundenen Materialbrücken, durch die Hohlräume bzw. Freiräume begrenzt werden. Durch diese Hohlräume bzw. Freiräume kann Kühlluft strömen und im Falle eines Anstreifens der Laufschaufel die Materialbrücken kühlen. Derartige Materialanordnungen haben im Übrigen auch einen stabilisierende Wirkung auf den Endabschnitt der Laufschaufel. In Bezug auf den Begriff schwammartig ist noch anzumerken, dass damit lediglich auf den strukturellen Aufbau eines Schwamms Bezug genommen wird, ohne dass daraus zu schließen ist, dass die hier angesprochene schwammartige Materialanordnung reversibel verformbar sei oder sich ihre Festigkeit in Abhängigkeit von Flüssigkeitsaufnahme verändere.It is proposed that the air-permeable fillers are formed by a porous material arrangement. In this case, the porous material arrangement may be a grid-like or matrix-like or net-like or sponge-like material arrangement. It results in particular a structure with interconnected material bridges, are limited by the cavities or open spaces. Cooling air can flow through these cavities or free spaces and cool the material bridges in the event of the rotor blade brushing on. Incidentally, such material arrangements also have a stabilizing effect on the end section of the moving blade. With regard to the term sponge-like it should also be noted that this merely refers to the structural structure of a sponge, without it being concluded that the spongy material arrangement referred to here is reversibly deformable or that its strength changes depending on fluid intake.
Die Füllmittel können als strebenartige Materialanordnung ausgebildet sein. Dabei können beispielsweise in der Ausnehmung oder in einem Kühlkanal einige Materialstreben ausgebildet sein, die auch eine stabilisierende Funktion aufweisen, um beispielsweise die Endwandung bzw. die inneren und äußeren Wandabschnitte gegeneinander abzustützen.The fillers may be formed as a strut-like material arrangement. In this case, for example, in the recess or in a cooling channel some material struts may be formed, which also have a stabilizing function, for example, to support the end wall and the inner and outer wall sections against each other.
Die Füllmittel sind insbesondere so gewählt, dass im Bereich des Endabschnitts bzw. der Schaufelspitze einerseits ausreichend Material vorhanden ist, um die Stabilität der Schaufelspitze und eine optimale Kühlung zu ermöglichen, und dass andererseits im Bereich der Schaufelspitze Material eingespart werden kann, um die wirkenden Zentrifugalkräfte zu verringern.In particular, the fillers are selected so that, on the one hand, sufficient material is present in the area of the end section or the blade tip to enable stability of the blade tip and optimum cooling, and on the other hand material can be saved in the region of the blade tip in order to control the centrifugal forces acting to reduce.
Die Laufschaufel kann durch ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere selektives Laserschmelzen, hergestellt sein, wobei insbesondere der Hauptabschnitt und der radiale Endabschnitt einstückig ausgebildet sind. Ferner können auch die Füllmittel durch das additive Herstellungsverfahren hergestellt sein, wobei die Füllmittel einstückig mit dem Endabschnitt, insbesondere der Endwandung oder den Wandabschnitten und dem Grundabschnitt ausgebildet sind.The blade can be produced by an additive manufacturing method, in particular selective laser melting, wherein in particular the main portion and the radial end portion are integrally formed. Furthermore, the fillers can also be produced by the additive manufacturing method, wherein the fillers are formed integrally with the end section, in particular the end wall or the wall sections and the base section.
Ein additives Herstellungsverfahren ermöglicht ein gezieltes Herstellen des Endabschnitts mit Füllmitteln, wobei durch das additive Herstellungsverfahren insbesondere auch die oben bereits angesprochenen netzartigen oder gitterartigen oder schwammartigen oder strebenartigen Materialanordnungen einfach und zuverlässig hergestellt werden können.An additive manufacturing method allows targeted production of the end portion with fillers, which can be easily and reliably produced by the additive manufacturing process in particular also the above-mentioned reticulated or latticed or sponge-like or stringenartigen material arrangements.
In dem Hauptabschnitt der Laufschaufel kann wenigstens ein weiterer Kühlkanal ausgebildet sein, der mit dem wenigstens einen Kühlkanal im Bereich der Endwandung oder/und in dem Grundabschnitt der Ausnehmung in Fluidverbindung steht. Hierdurch kann Kühlluft duch die Laufschaufel strömen und zum Endabschnitt bzw. in den Bereich der Schaufelspitze transportiert werden. Dabei wird die Laufschaufel insgesamt auch gekühlt.In the main portion of the blade, at least one further cooling channel may be formed, which is in fluid communication with the at least one cooling channel in the region of the end wall and / or in the base portion of the recess. As a result, cooling air can flow through the blade and be transported to the end portion or in the region of the blade tip. The blade is cooled as a whole.
Ferner kann die Laufschaufel einen radial innen liegenden Kopplungsabschnitt aufweisen, durch den die Laufschaufel mit einem Rotor verbindbar oder verbunden ist. Der Kopplungsabschnitt kann beispielsweise als Laufschaufelfuß ausgebildet sein, etwa mit einer an sich bekannten Tannenbaumform. Der Kopplungsabschnitt kann aber auch als materialschlüssige Verbindung einer Laufschaufel mit dem Rotor ausgebildet sein.Further, the blade may have a radially inner coupling portion through which the blade is connectable or connected to a rotor. The coupling portion may be formed, for example, as a blade root, such as with a known fir tree shape. The coupling portion may also be formed as a material connection of a blade with the rotor.
Die Erfindung betrifft ferner auch eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einem Verdichterbereich, einem Brennkammerbereich und einem Turbinenbereich, wobei der Turbinenbereich eine Hochdruckturbine aufweist mit wenigstens einem Rotor, an dem entlang der Umfangrichtung mehrere oben beschriebene Laufschaufeln angeordnet sind.The invention also relates to a gas turbine, in particular an aircraft gas turbine, with a compressor region, a combustion chamber region and a turbine region, the turbine region having a high-pressure turbine with at least one rotor, on which a plurality of rotor blades described above are arranged along the circumferential direction.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
-
1 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Perspektivdarstellung eine Laufschaufel einer Gasturbine. -
2 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Draufsicht auf den radialen Endabschnitt bzw. eine Schaufelspitze der Laufschaufel der1 . -
3 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Draufsicht auf den radialen Endabschnitt eine Laufschaufel entsprechend einer Ausführungsform. -
4 zeigt in einer Schnittdarstellung, die etwa einer Schnittlinie IV-IV der3 entspricht den Endabschnitt der Laufschaufel mit einem Kühlkanal in einer Endwandung. -
5 zeigt in einer Schnittdarstellung, die etwa einer Schnittlinie III-III der2 entspricht den Endabschnitt der Laufschaufel, wobei in einer Aufnahme des Endabschnitts Füllmittel angeordnet sind. -
6 zeigt in einer zur4 ähnlichen Darstellung Füllmittel in Kühlkanälen. -
7 zeigt in einer zur5 ähnlichen Darstellung ein anderes Füllmittel. -
8 zeigt in einer zur5 und7 ähnlichen Darstellung Füllmittel mit variabler Höhe.
-
1 shows in a simplified and schematic perspective view of a rotor blade of a gas turbine. -
2 shows in a simplified and schematic representation of a plan view of the radial end portion and a blade tip of the blade of the1 , -
3 shows in a simplified and schematic representation of a plan view of the radial end portion of a blade according to an embodiment. -
4 shows in a sectional view, approximately along a section line IV-IV of3 corresponds to the end portion of the blade with a cooling channel in an end wall. -
5 shows in a sectional view, about a section line III-III of2 corresponds to the end portion of the blade, wherein in a receptacle of the end portion fillers are arranged. -
6 shows in a to4 similar representation fillers in cooling channels. -
7 shows in a to5 similar representation another filler. -
8th shows in a to5 and7 similar representation filler with variable height.
In
Aus der schematischen Draufsicht der
Im Bereich des Endabschnitts
In den
In der
Die in den
Allen hier dargestellten Ausführungsformen ist weiterhin gemein, dass bei einem Anstreifen der Laufschaufel
Wie aus den
Unter Bezugnahme auf die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Laufschaufelblade
- 1212
- Hauptabschnittmain section
- 1414
- Endabschnittend
- 1616
- Endwandungend wall
- 16a16a
- äußerer Wandabschnittouter wall section
- 16b16b
- innerer Wandabschnittinner wall section
- 1818
- Ausnehmungrecess
- 2020
- Grundabschnittbase portion
- 2222
- Innenseiteinside
- 2424
- Außenseiteoutside
- 2626
- Endkanteend edge
- 3030
- Kühlkanalcooling channel
- 3232
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 3434
- Kühlluftcooling air
- 3535
- Verbindungsabschnittconnecting portion
- 3636
- Verbindungsabschnittconnecting portion
- 4040
- Füllmittelfillers
- 4141
- Kanal/BohrungChannel / bore
- 4242
- Netzartige/gitterartige MaterialanordnungMesh-like / grid-like material arrangement
- 4444
- Hohlraumcavity
- 4646
- Materialbrückematerial bridge
- 4848
- Strebestrut
- 5050
- schwammartige Materialanordnungspongy material arrangement
- 6060
- Kühlkanalcooling channel
- WDWD
- Wanddickewall thickness
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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