DE102018205721A1

DE102018205721A1 - Schaufel für eine Strömungsmaschine sowie Verwendung und Herstellungsverfahren derselben

Info

Publication number: DE102018205721A1
Application number: DE102018205721.4A
Authority: DE
Inventors: Richard Scharl; Johannes Casper; Alexander Ladewig; Christian Liebl; Steffen Schlothauer; Klaus Semmler
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufel (1), insbesondere einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbine, mit einer Oberfläche (2), die einem Strömungsmedium auszusetzen ist. Die Schaufel (1) hat mehrere Kühlkanäle (3) für ein Kühlmedium zur Aufnahme von Wärme von der Schaufel (1) und zum Transport der Wärme innerhalb der Kühlkanäle (3) mittels Wärmekonvektion. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Verwendung und auf ein Verfahren zum Herstellen der Schaufel (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Verwendung der Schaufel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14 und eine Verfahren zum Herstellen der Schaufel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 15.
Bei Gasturbinen werden die Lauf- und Leitschaufeln im Heißbereich (Turbine) oft von innen her mit einem Fluid (meist Luft, welche im Verdichterbereich entnommen wird) gekühlt. Diese Kühlung erfolgt bei Lauf- und Leitschaufeln oft durch eine Durchströmung mit dem Fluid, welches dann meist an der Hinterkante ausgeblasen wird oder zum Teil auch durch Bohrungen am restlichen Schaufelprofil die Schaufel kühlt. Diese Durchströmung ist vielfach auch als Multipass-Kühlung angelegt, bei der das Fluid mäanderförmig die Schaufel mehrfach durchströmt bevor sie ausgeblasen wird.
Bei dieser Form kann die Kühlung nur bedingt gezielt an die heißesten Stellen der Schaufel gebracht werden. Es werden damit manche Stellen mehr gekühlt, als unbedingt erforderlich ist. Das führt zu einem relativ hohen Verbrauch an Kühlluft.
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Schaufeln für Verdichter- oder Turbinen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind additive bzw. generative Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) bekannt, bei denen die Schaufel schichtweise aufgebaut wird. Vorwiegend metallische Schaufeln können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Werkstoff im Bereich eines Baubereichs aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Werkstoff lokal verfestigt, indem dem Werkstoff im Bereich des Baubereichs Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls zugeführt wird, wodurch der Werkstoff schmilzt und eine Bauteilschicht bildet. Der Hochenergiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Die Schichtinformationen werden üblicherweise aus einem 3D-CAD-Körper der Bauteilkomponente erzeugt und in einzelne Bauteilschichten unterteilt. Nach dem Verfestigen des geschmolzenen Werkstoffs wird die Plattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung der gewünschten Bauteilkomponente oder des gesamten Bauteils wiederholt. Die Vorteile dieser additiven Fertigung liegen insbesondere in der Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien mit Kavitäten, Unterschnitten und dergleichen im Rahmen eines einzelnen Verfahrens herstellen zu können.
Der Vortrag „Novel Designs of Turbine Blades for additive Manufacturing“ von Liubov Magerramova, Boris Vasilyev und Vladimir Kinzburskiy auf der Konferenz „Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition“ vom 13. bis 17. Juni 2016 in Seoul, Südkorea, behandelt eine additive Fertigung von Turbinenschaufeln, die im Betrieb ausschließlich mittels Filmkühlung gekühlt werden sollen. Bei der Filmkühlung werden Öffnungen in der Oberfläche ausgebildet, die einem Strömungsmedium auszusetzen ist. Durch die Öffnungen strömt ein Medium heraus, um einen schützenden Film über der Oberfläche zu bilden, so dass keine oder nur wenig Wärme von dem Strömungsmedium in die Schaufel eintreten kann. Ebenso offenbaren US 2016 02 087 05 A1 und US 2015 03 228 00 A1 jeweils eine additive Fertigung von Bauteilkomponenten einer Gasturbine. Dabei werden Kanäle in der Bauteilkomponente ausgebildet, die jedoch keine Kühlwirkung mittels Wärmekonvektion innehaben. Stattdessen dienen die Kanäle zum Ausbilden eines Kühlfilms auf der Oberfläche der Bauteilkomponenten, um dieselbe mittels Filmkühlung zu kühlen.
Weitere Schaufeln sind aus DE 10 2015 015 598 A1 ; EP 3 056 670 A1 und WO 2015 175 168 A1 bekannt.
Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlwirkung einer Schaufel zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Verwendung der Schaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Verfahren zum Herstellen der Schaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine Schaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbine einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, eine Oberfläche, die einem Strömungsmedium auszusetzen ist, und mehrere Kühlkanäle für ein Kühlmedium zur gezielten Aufnahme von Wärme von der Schaufel und zum Transport der Wärme innerhalb der Kühlkanäle. Durch das verwendete Kühlprinzip der Wärmekonvektion können gezielt die heißesten Stellen an der Oberfläche der Schaufel gekühlt werden, es entsteht ein geringerer Kühlluftbedarf, und der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine kann verbessert werden. Die Kühlkanäle sind exakt dort angeordnet, wo eine Kühlung gewünscht ist, so dass die gezielte Aufnahme von Wärme erreicht wird. Eine derart gezielte Aufnahme von Wärme ist bei der Filmkühlung aus dem Stand der Technik kaum möglich, da sowohl die Geschwindigkeit als die Ausbreitung des Kühlfilms an der Oberfläche und somit der Kühleffekt von einer momentanen Strömung des Strömungsmediums abhängen.
Die Kühlkanäle können miteinander in einer Fluidverbindung sein, oder sie können stattdessen voneinander getrennt sein.
Vorzugsweise weisen die Kühlkanäle ein maximales Querschnittsmaß auf, das kleiner oder gleich S/20, vorzugsweise kleiner oder gleich S/50, weiter bevorzugt kleiner oder gleich S/80, besonders bevorzugt kleiner oder gleich S/100; und/oder das größer oder gleich S/400, vorzugsweise größer oder gleich S/300, weiter bevorzugt größer oder gleich S/200 ist, wobei S eine Sehnenlänge zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante der Schaufel in der radialen Mitte der Schaufel ist.
Vorzugsweise verlaufen die Kühlkanäle mindestens über 50%, vorzugsweise mindestens über 70%, weiter bevorzugt mindestens über 90% ihrer Länge in einem Abstand A zur Schaufellänge, der in einem Bereich von 0,1·Dmax ≤ A ≤ 3·D_max, vorzugsweise 0,5·D_max ≤ A ≤ 3·D_max, weiter bevorzugt D_max ≤ A ≤ 2·D_max, liegt, wobei Dmax jeweils entweder das maximale Querschnittsmaß oder ein hydraulischer Durchmesser eines Kühlkanals ist. Der hydraulische Durchmesser errechnet sich aus 4·Q/U, wobei Q ein Querschnittsflächeninhalt ist und U ein benetzter Umfang ist.
Vorzugsweise sind die Kühlkanäle derart angeordnet, dass mindestens 80% der Schaufelblattoberfläche der Schaufel, vorzugsweise die gesamte Schaufelblattoberfläche, kühlbar ist oder einen Abstand zu einem Kühlkanal aufweist, der kleiner oder gleich S/50 ist, wobei S eine Sehnenlänge zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante der Schaufel in der radialen Mitte der Schaufel ist.
Vorzugsweise sind die Kühlkanäle nicht in der Oberfläche geöffnet, die dem Strömungsmedium auszusetzen ist, so dass die Kühlkanäle ausschließlich zur Wärmekonvektion, nicht aber zur Filmkühlung eingesetzt werden. Weiter bevorzugt hat die Schaufel einen Hohlraum (d.h. sie ist eine so genannte Hohlschaufel) oder einen Hauptkanal, von dem die Kühlkanäle abzweigen und in den die Kühlkanäle wieder einmünden. Der Hauptkanal kann zumindest streckenweise vollständig in Kühlkanäle aufgliedert oder in Gestalt von zwei Stichkanälen getrennt sein.
Vorzugsweise weisen die Kühlkanäle jeweils verschiedene Kühlkanalabschnitte auf, die unterschiedliche geometrische Parameter haben, um eine Wärmekonvektion in den Kühlkanälen zu variieren. Vorzugsweise sind verschiedene Kühlkanäle angeordnet, die unterschiedliche geometrische Parameter haben, um unterschiedliche Wärmekonvektionen in den verschiedenen Kühlkanälen zu erhalten. Als Wärmekonvektion kann zum Beispiel ein Wärmeaustrag pro Flächeneinheit verstanden werden.
Weiter bevorzugt weist der geometrische Parameter der Kühlkanäle oder der Kühlkanalabschnitte ihren Abstand zur Oberfläche, ihren geometrischen Verlauf, ihren Querschnittsumfang, ihren Querschnittsflächeninhalt, ihre Querschnittsform, ihre Rauigkeit an einer Innenfläche oder einen Abstand zu benachbarten Kühlkanälen oder Kühlkanalabschnitten auf. Es kann auch eine Erhebung oder eine Sicke in den Kühlkanälen ausgebildet sein, die dazu konfiguriert ist, eine Richtung, eine Geschwindigkeit und/oder eine Turbulenz des Kühlmediums in den Kühlkanälen zu ändern. Dadurch kann jeweils die Wärmekonvektion lokal angepasst werden.
Vorzugsweise sind zumindest zwei Kühlkanäle angeordnet, die jeweils zumindest zwei Kühlkanalabschnitte aufweisen, wobei unterschiedliche Abstände zwischen den Kühlkanalabschnitten vorgesehen sind, um eine Wärmekonvektion durch die Kühlkanäle zu variieren.
Vorzugsweise weisen die Kühlkanäle jeweils einen Kühlkanalabschnitt auf, der eine Länge und einen Durchmesser hat, wobei ein Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser größer oder gleich 10, bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 und 200 und weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 30 und 80 ist. In diesen Parameterbereichen kann eine besonders gute Wärmekonvektion erhalten werden. Insbesondere können die Kühlkanäle eine solche Länge aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die Wärmeaufnahmekapazität des Kühlmediums in optimaler Weise über die Kanallänge erschöpft oder verringert, wodurch eine besonders effektive Ausnutzung des Kühlmediums gestattet wird.
Vorzugsweise weist die Schaufel eine Vorderkante und eine Hinterkante auf, wobei die Kühlkanäle zumindest einen Kühlkanalabschnitt aufweisen, der an der Vorderkante oder der Hinterkante angeordnet ist. Da an der Vorder- und Hinterkante die höchsten Temperaturen zu erwarten sind, kann gezielt dort die Kühlung maximiert werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung behandelt eine Verwendung der Schaufel, wobei die Kühlkanäle sowohl eine Wärmekonvektion als auch eine Filmkühlung bewirkt, der Wärmeaustrag [W / m²] aus der Schaufel durch die Wärmekonvektion jedoch höher ist als ein durch die Filmkühlung verhinderter Wärmeeintrag [W / m²] in die Schaufel. Dadurch können die Vorteile der hohen Wärmekonvektion, insbesondere an den heißesten Stellen der Schaufel, weiterhin genutzt werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung behandelt ein Verfahren zum Herstellen der Schaufel, wobei die Schaufel zumindest bereichsweise oder vollständig durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt wird. Dadurch ist es möglich, filigrane Kühlkanäle wandnah herzustellen.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch die Steuerung bzw. ihr(e) Mittel.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigen, teilweise schematisiert:

1 eine Längsschnittansicht einer Schaufel nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittansicht A-A der Schaufel der 1;
3 eine Schnittansicht B-B der Schaufel der 1; und
4 verschiedene Schnittansichten I und II der Schaufel der 1.

1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer Schaufel nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 zeigt schematisch eine Querschnittansicht A-A der Schaufel der 1. Bei der Schaufel 1 handelt es sich um eine Lauf- oder Leitschaufel, die beispielsweise in einer Hochdruckturbine eines Triebwerks verwendet werden kann. Die Schaufel 1 hat eine Oberfläche 2, die einem Strömungsmedium auszusetzen ist. Bei der Hochdruckturbine ist das Strömungsmedium zum Beispiel angesaugte Luft. Die Schaufel 1 weist ferner eine Vorderkante 5 und eine Hinterkante 6 auf. Im laufenden Betrieb sind die Temperaturen an der Schaufeloberfläche im Bereich der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6 üblicherweise größer als in dem dazwischenliegenden Bereich. Die Schaufel 1 hat daher insbesondere an der Vorderkante 5 mehrere Kühlkanäle 3 für ein Kühlmedium zur gezielten Aufnahme von Wärme von der Schaufel 1 und zum Transport der Wärme innerhalb der Kühlkanäle 3. Die Kühlkanäle 3 können miteinander in einer Fluidverbindung sein, oder sie können stattdessen voneinander getrennt sein. Das Kühlmedium kann Kühlluft sein, welche im Falle der Hochdruckturbine einem Verdichterbereich eines Triebwerks entnommen wird. Nachdem die Kühlluft die Schaufel 1 gekühlt und die Kühlkanäle 3 durchlaufen hat, wird sie aus der Schaufel 1 wieder ausgeblasen. Obwohl nur der Kühlkanal 3 an der Vorderkante 5 der Schaufel 1 dargestellt ist, können auch an der Hinterkante 6 ein oder mehrere derartige Kühlkanäle 3 angeordnet sein. Durch das verwendete Kühlprinzip der Wärmekonvektion können in vorteilhafter Weise gezielt die heißesten Stellen an der Oberfläche 2 der Schaufel 1 gekühlt werden, es entsteht ein geringerer Kühlluftbedarf, und der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine kann verbessert werden.
Vorzugsweise weisen die Kühlkanäle 3 ein maximales Querschnittsmaß auf, das kleiner oder gleich S/20, vorzugsweise kleiner oder gleich S/50, weiter bevorzugt kleiner oder gleich S/80, besonders bevorzugt kleiner oder gleich S/100; und/oder das größer oder gleich S/400, vorzugsweise größer oder gleich S/300, weiter bevorzugt größer oder gleich S/200 ist, wobei S eine Sehnenlänge zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6 der Schaufel 1 in der radialen Mitte der Schaufel 1 ist.
Vorzugsweise verlaufen die Kühlkanäle mindestens über 50%, vorzugsweise mindestens über 70%, weiter bevorzugt mindestens über 90% ihrer Länge in einem Abstand A zur Schaufellänge, der in einem Bereich von 0,1·Dmax ≤ A ≤ 3·D_max, vorzugsweise 0,5·D_max ≤ A ≤ 3·D_max, weiter bevorzugt Dmax ≤ A ≤ 2·D_max, liegt, wobei Dmax jeweils entweder das maximale Querschnittsmaß oder ein hydraulischer Durchmesser eines Kühlkanals 3 ist. Der hydraulische Durchmesser errechnet sich aus 4·Q/U, wobei Q ein Querschnittsflächeninhalt ist und U ein benetzter Umfang des Kühlkanals 3 ist.
Vorzugsweise sind die Kühlkanäle 3 derart angeordnet, dass mindestens 80% der Schaufelblattoberfläche der Schaufel 1, vorzugsweise die gesamte Schaufelblattoberfläche, kühlbar ist oder einen Abstand zu einem Kühlkanal 3 aufweist, der kleiner oder gleich S/50 ist.
In der dargestellten Ausführungsform münden die Kühlkanäle 3 anders als bei der Filmkühlung nicht in der Oberfläche 2, die dem Strömungsmedium auszusetzen ist. Die Schaufel 1 hat einen Hauptkanal 4, von dem die Kühlkanäle 3 abzweigen und in den die Kühlkanäle 3 wieder einmünden. Alternativ kann sich der Hauptkanal 4 zumindest streckenweise vollständig in Kühlkanäle 3 aufgliedern.
Um sicherzustellen, dass ausreichend Kühlluft in die Kühlkanäle 3 gelangt, weist der parallel verlaufende Hauptkanal 4 in diesem Abschnitt zumindest eine in der 1 gestrichelt dargestellte Engstelle 7 auf, oder er entfällt vollständig. Alternativ kann der Hauptkanal 4 durch zwei separate Stichkanäle ersetzt werden, d.h. der Hauptkanal 4 wird unterbrochen.
3 zeigt schematisch eine Schnittansicht B-B der Schaufel der 1. In der Schaufel 1 sind exemplarisch vier Kühlkanäle 3 angeordnet, die jeweils zumindest zwei Kühlkanalabschnitte 31, 32 und 33, 34 aufweisen. Einer der Kühlkanäle 3 hat die beiden Kühlkanalabschnitte 31, 32, und ein anderer, benachbarter Kühlkanal 3 hat die beiden Kühlkanalabschnitte 33, 34. Der Kühlkanalabschnitt 31 des einen Kühlkanals 3 liegt dem Kühlkanalabschnitt 33 des benachbarten Kühlkanalabschnitts in einem Abstand 11 gegenüber, und der Kühlkanalabschnitt 32 des einen Kühlkanals 3 liegt dem Kühlkanalabschnitt 34 des benachbarten Kühlkanalabschnitts 3 in einem Abstand 12 gegenüber. Der Abstand zwischen den Kühlkanälen 3 kann zwischen jeweiligen neutralen Fasern der Kühlkanäle 3 gemessen werden. Zwischen den Kühlkanalabschnitten 31 und 33 sowie zwischen den Kühlkanalabschnitten 32 und 34 sind somit unterschiedliche Abstände 11, 12 vorgesehen, um eine Wärmekonvektion durch die Kühlkanäle 3 räumlich zu variieren.
Die Wärmekonvektion kann hierbei als Wärmeaustrag bzw. Wärmestrom pro Flächeneinheit mit der Einheit J / (s·m²) oder W / m² gemessen werden. Durch die unterschiedlichen Abstände 11, 12 wird eine räumliche Dichte der Kühlkanäle 3 und somit der Wärmeaustrag pro Flächeneinheit in W / mm² variiert. In dem Bereich, wo der kleinere Abstand 11 vorgesehen ist, sind die Kühlkanaldichte und die Wärmekonvektion größer als an jenem Bereich, wo der größere Abstand 12 vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es möglich, gezielt in jenen Bereichen, in denen die höchsten Oberflächentemperaturen zu erwarten sind, die Wärmekonvektion kontrolliert zu erhöhen.
In der dargestellten Ausführungsform ändert sich ein Abstand zwischen mindestens zwei benachbarten Kühlkanälen 3 im Verlauf der Kühlkanäle 3. Es ist auch denkbar, mindestens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kühlkanal 3 vorzusehen, wobei ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkanal 3 größer ist als ein Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Kühlkanal 3. Auch hier ist die Wärmekonvektion umso größer, je kleiner der Anstand zwischen den Kühlkanälen 3 ist.
Die Kühlkanäle 3 können auch verschiedene Querschnittsumfänge aufweisen.
Daneben gibt es weitere Möglichkeiten, die Wärmekonvektion räumlich zu variieren. Zumindest ein Kühlkanal 3 kann verschiedene Kühlkanalabschnitte aufweisen, die unterschiedliche geometrische Parameter haben, um die Wärmekonvektion in dem Kühlkanal 3 zu variieren. Es können auch verschiedene Kühlkanäle 3 angeordnet sind, die ihrerseits unterschiedliche geometrische Parameter haben, um unterschiedliche Wärmekonvektionen in den verschiedenen Kühlkanälen 3 zu erhalten. Der geometrische Parameter der Kühlkanäle 3 oder der Kühlkanalabschnitte kann ein Abstand zur Oberfläche 2, ein geometrischer Verlauf, ein Querschnittsflächeninhalt, eine Querschnittsform oder eine Rauigkeit einer Innenfläche sein.
Durch Verkleinern des Abstands der Kühlkanäle 3 oder der Kühlkanalabschnitte zur Oberfläche 2 der Kühlkanäle 3 oder der Kühlkanalabschnitte kann entsprechend mehr Wärme ausgetragen werden. Durch Vergrößern des Querschnittsflächeninhalts der Kühlkanäle 3 oder der Kühlkanalabschnitte können die Strömungsgeschwindigkeit lokal abgesenkt und somit der Wärmeübergang reduziert werden. Hierdurch kann die Kühlintensität in Bereichen, in denen dies zulässig ist, lokal reduziert werden und unnötiger Wärmeeintrag in das Kühlmedium vermieden werden.
das Volumen des Kühlmediums lokal vergrößert werden. Dadurch kann mehr Wärme im Bereich mit vergrößertem Querschnittsflächeninhalt ausgetragen werden.
Durch Vergrößern der Rauigkeit der Innenfläche der Kühlkanäle 3 oder der Kühlkanalabschnitte können die lokalen Grenzschichten gestört werden und Wirbel und/oder vergrößerte Turbulenzen erzeugt werden. Auch damit kann mehr Wärme im Bereich mit vergrößerter Rauigkeit ausgetragen werden.
Die Querschnittsform kann zwischen kreisrunden, elliptischen, eckigen oder beliebigen anderen Formen variiert werden. Zum Beispiel kann durch eine elliptische Form, wenn deren Hauptachse im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 2 orientiert ist, mehr Wärme als bei einer kreisrunden Form ausgetragen werden. Grundsätzlich kann der Wärmeaustrag vergrößert werden, wenn sich bei gleichem Querschnittsflächeninhalt die Querschnittsform in Richtung zur Oberfläche 2 hin vergrößert. 4 zeigt verschiedene Schnittansichten I und II der Schaufel der 1. In den Bereichen I, in denen eine stärkere Kühlung erforderlich ist, haben die Kühlkanäle 3 im Querschnitt eine elliptische Form, wobei die Hauptachse der Ellipse im Wesentlichen parallel zur Schaufeloberfläche orientiert ist, während im Bereich II, in dem eine vergleichsweise schwächere Kühlung erforderlich ist, die Nebenachse der Ellipse im Wesentlichen parallel zur Schaufeloberfläche orientiert ist. Je nach der Orientierung der Haupt- und Nebenachse kann ein gewünschter Kühlgrad lokal eingestellt werden.
Der geometrische Verlauf der Kühlkanäle 3 oder der Kühlkanalabschnitte kann an die gewünschte Wärmekonvektion angepasst werden. Höhere Wärmekonvektionen werden beispielsweise durch mäanderförmige oder zickzackförmige Verläufe erzielt. Je kleiner die Krümmungsradien der Kühlkanäle 3 oder der Kühlkanalabschnitte über eine vorbestimmte Länge gewählt sind, umso größer ist die Wärmekonvektion über diesen Längenbereich.
Es kann auch eine Erhebung oder eine Sicke in den Kühlkanälen 3 ausgebildet sein, die dazu konfiguriert ist, eine Richtung, eine Geschwindigkeit und/oder die Turbulenz des Kühlmediums in den Kühlkanälen 3 zu ändern. Auch dadurch kann die Wärmekonvektion entlang der Kühlkanäle 3 variiert werden.
Besonders gute Wärmekonvektionen können erhalten werden, wenn die Kühlkanäle 3 jeweils einen Kühlkanalabschnitt aufweist, der gemäß der 1 eine Länge L und einen Durchmesser D hat, wobei ein Verhältnis L/D zwischen der Länge L und dem Durchmesser D größer oder gleich 10, bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 und 200 und weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 30 und 80 ist. Die Länge L der Kühlkanäle 3 und der Kühlkanalabschnitte kann entlang deren neutralen Faser gemessen werden.
Anders als beim Stand der Technik verlaufen die Kühlkanäle 3 nicht direkt und unmittelbar aus dem Hauptkanal 4 durch Öffnungen in der Oberfläche 2 in den Ringraum/Heißgaskanal der Hochdruckturbine hinein, sondern sie verlaufen eine gewisse Mindeststrecke im Material.
Die Kühlkanäle 3 verlaufen vorzugsweise zumindest über eine hinreichend große Länge parallel oder mit geringer Neigung zur Oberfläche 2 der Schaufel 1. Die Kühlkanäle 3 verlaufen größtenteils wandnah, d.h. in geringem Abstand zur Oberfläche 2 der Schaufel 1. Dadurch werden gezielt die heißen Stellen, üblicherweise die Vorderkante 5 und die Hinterkante 6, gekühlt, und/oder die Kühlung erfolgt in angepasster Weise an die Wärmeverteilung.
In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Kühlung der Schaufel ausschließlich durch Wärmekonvektion, d.h. das Kühlmedium in den Kühlkanälen 3 nimmt Wärme von der Schaufel 1 auf und transportiert sie innerhalb der Kühlkanäle 3. Eine Kühlung der Schaufel 1 durch Filmkühlung erfolgt nicht.
In einer Abwandlung sieht die vorliegende Erfindung eine Mischform vor, bei der die Kühlkanäle 3 sowohl eine Wärmekonvektion als auch eine Filmkühlung bewirken, wobei der Wärmeaustrag in W / m² aus der Schaufel 1 durch die Wärmekonvektion höher ist als ein durch die Filmkühlung verhinderter Wärmeeintrag in W / m² in die Schaufel 1, damit die Vorteile der Wärmekonvektion weiterhin zum Tragen kommen.
Vorzugsweise wird die Schaufel zumindest bereichsweise oder vollständig durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt. Dadurch können insbesondere die filigranen Kühlkanäle 3 in einer Vielzahl wandnah ausgebildet werden, und deren geometrische Parameter können nahezu beliebig angepasst werden. Damit kann man die Schaufel 1 gezielt an den heißesten Stellen, meist im Bereich der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6, stärker kühlen, auch wenn die Oberfläche 2 dort kleine Radien aufweist und eine konventionelle Fertigung der Kühlkanäle 3 somit an ihre Grenzen stoßen würde. Die additive Fertigung erleichtert die Schaffung der unterschiedlichen Querschnittsflächen der Kühlkanäle 3, der unterschiedlichen Abstände 11, 12 der Kühlkanäle 3 untereinander oder zur Oberfläche 2, sich kreuzende Kühlkanäle 3, in Schlangenlinie verlaufende Kühlkanäle 3, unterschiedliche Oberflächengestaltung und -rauhigkeiten in den Kühlkanälen 3 oder unterschiedliche Querschnitte an den Enden sowie im Verlauf der Kühlkanäle 3, welche zu unterschiedlichen Massenströmen des Kühlmediums führen. Unter Umständen können neben Rauigkeiten auch gezielt kleinskalige Substrukturen zur gezielten Strömungsbeeinflussung eingebracht werden
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Schaufel
2: Oberfläche
3: Kühlkanal
4: Hauptkanal
5: Vorderkante
6: Hinterkante
7: Engstelle
31: Kühlkanalabschnitt
32: Kühlkanalabschnitt
33: Kühlkanalabschnitt
34: Kühlkanalabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20160208705 A1 [0005]
US 20150322800 A1 [0005]
DE 102015015598 A1 [0006]
EP 3056670 A1 [0006]
WO 2015175168 A1 [0006]

Claims

Schaufel (1) für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbine einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einer Oberfläche (2), die einem Strömungsmedium auszusetzen ist, gekennzeichnet durch mehrere Kühlkanäle (3) für ein Kühlmedium zur gezielten Aufnahme von Wärme von der Schaufel (1) und zum Transport der Wärme innerhalb der Kühlkanäle (3).
Schaufel (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3) ein maximales Querschnittsmaß aufweisen, das kleiner oder gleich S/20, vorzugsweise kleiner oder gleich S/50, weiter bevorzugt kleiner oder gleich S/80, besonders bevorzugt kleiner oder gleich S/100; und/oder das größer oder gleich S/400, vorzugsweise größer oder gleich S/300, weiter bevorzugt größer oder gleich S/200 ist, wobei S eine Sehnenlänge zwischen einer Vorderkante (5) und einer Hinterkante (6) der Schaufel (1) in einer radialen Mitte der Schaufel (1) ist.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3) mindestens über 50%, vorzugsweise mindestens über 70%, weiter bevorzugt mindestens über 90% ihrer Länge in einem Abstand A zur Schaufellänge verlaufen, der in einem Bereich von 0,1·D_max ≤ A ≤ 3·D_max, vorzugsweise 0,5·D_max ≤ A ≤ 3·D_max, weiter bevorzugt D_max ≤ A ≤ 2·D_max, liegt, wobei Dmax jeweils entweder das maximale Querschnittsmaß oder ein hydraulischer Durchmesser eines Kühlkanals (3) ist.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3) derart angeordnet sind, dass mindestens 80% der Schaufelblattoberfläche der Schaufel (1), vorzugsweise die gesamte Schaufelblattoberfläche, kühlbar ist oder einen Abstand zu einem Kühlkanal (3) aufweist, der kleiner oder gleich S/50 ist, wobei S eine Sehnenlänge zwischen einer Vorderkante (5) und einer Hinterkante (6) der Schaufel (1) in der radialen Mitte der Schaufel (1) ist.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3) nicht in der Oberfläche (2) geöffnet sind, die dem Strömungsmedium auszusetzen ist.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Hohlraum oder einen Hauptkanal (4), von dem die Kühlkanäle (3) abzweigen und in den die Kühlkanäle (3) wieder einmünden, wobei der Hauptkanal (4) zumindest streckenweise vollständig in Kühlkanäle (3) aufgliedert oder in Gestalt von zwei Stichkanälen getrennt sein kann.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3) jeweils verschiedene Kühlkanalabschnitte aufweisen, die unterschiedliche geometrische Parameter haben, um eine Wärmekonvektion in den Kühlkanälen (3) zu variieren.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Kühlkanäle (3) angeordnet sind, die unterschiedliche geometrische Parameter haben, um unterschiedliche Wärmekonvektionen in den verschiedenen Kühlkanälen (3) zu erhalten.
Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Parameter der Kühlkanäle (3) oder der Kühlkanalabschnitte ihren Abstand zur Oberfläche (2), ihren geometrischen Verlauf, ihren Querschnittsumfang, ihren Querschnittsflächeninhalt, ihre Querschnittsform, ihre Rauigkeit an einer Innenfläche und/oder ihren Abstand zu benachbarten Kühlkanälen (3) oder Kühlkanalabschnitten aufweist, insbesondere ist; und/oder eine Erhebung und/oder eine Sicke in den Kühlkanälen (3) oder Kühlkanalabschnitten ausgebildet ist, die dazu konfiguriert ist, eine Richtung, eine Geschwindigkeit und/oder eine Turbulenz des Kühlmediums in den Kühlkanälen oder den Kühlkanalabschnitten zu ändern.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Kühlkanäle (3) angeordnet sind, die jeweils zumindest zwei Kühlkanalabschnitte (31, 32, 33, 34) aufweisen, wobei unterschiedliche Abstände (11, 12) zwischen den Kühlkanalabschnitten (31, 32, 33, 34) vorgesehen sind, um eine Wärmekonvektion durch die Kühlkanäle (3) zu variieren.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3) jeweils einen Kühlkanalabschnitt aufweisen, der eine Länge (L) und einen Durchmesser (D) hat, wobei ein Verhältnis (L/D) zwischen der Länge (L) und dem Durchmesser (D) größer oder gleich 10, bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 und 200 und weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 30 und 80 ist.
Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (1) eine Vorderkante (5) und eine Hinterkante (6) aufweist, wobei die Kühlkanäle (3) jeweils zumindest einen Kühlkanalabschnitt aufweist, der an der Vorderkante (5) oder der Hinterkante (6) angeordnet ist.
Strömungsmaschine, insbesondere Turbine einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, die eine Schaufel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
Verwendung einer Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3) sowohl eine Wärmekonvektion als auch eine Filmkühlung bewirken, wobei der Wärmeaustrag [W / m²] aus der Schaufel (1) durch die Wärmekonvektion höher ist als ein durch die Filmkühlung verhinderter Wärmeeintrag [W / m²] in die Schaufel (1).
Verfahren zum Herstellen einer Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (1) zumindest bereichsweise oder vollständig durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt wird.