DE10316909B4

DE10316909B4 - Kühlbares Turbinenblatt mit Rippen im Kühlkanal

Info

Publication number: DE10316909B4
Application number: DE10316909.1A
Authority: DE
Inventors: Kristina S. Hermanson; Dr. Parneix Sacha; Prof.-Dr. Weigand Bernhard
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-04-12
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2023-04-13
Also published as: DE10316909A1

Abstract

Kühlbares Turbinenblatt (1) im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelfuss und einem Blattbereich, welches Turbinenblatt (1) eine druckseitige Wand (8) und eine saugseitige Wand (9) aufweist, wobei die beiden Wände (8, 9) im Anströmbereich (4) an einer Anströmkante (18) und im Abströmbereich an der Abströmkante (5) unter Bildung eines im wesentlichen radial verlaufenden Hohlraumes für Kühlluft (10) und/oder Kühldampf miteinander verbunden sind, wobei dieser Hohlraum durch im wesentlichen radial angeordnete Stege (6, 7) in radial verlaufende Kühlkanäle (12, 13, 14) unterteilt ist, wobei wenigstens eine Rippe (11, 22) im bei der Anströmkante (18) angeordneten vorderen Kühlkanal (12) angeordnet ist, welche Rippe (11, 22) von wenigstens einer Wand (8, 9) in den Hohlraum hineinragend ausgebildet ist, und die Rippe (11, 22) an wenigstens einer Stelle einen Unterbruch (15, 17) aufweist, und die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Wand (8, 9) betrachtete Höhe (h) der Rippe (11, 22) entlang der Rippe (11) variabel ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Wand (8, 9) betrachtete Höhe (H) des gesamten Hohlraumes (10) variabel ausgebildet ist, wobei der Hohlraum (10) quasi dreiecksförmig oder halbrundförmig, begrenzt in Richtung Abströmkante (5) durch einen vorderen, im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Turbinenblattes angeordneten radialen Steg (6) und in Richtung Anströmkante (18) zulaufend oder halbrund ausgebildet ist, wobei die Rippe (11, 22) in Richtung Anströmkante (18) schräg verlaufend ist, die variable lokale Höhe (h) der Rippe (11, 22) im wesentlichen in einem vorgegebenen und definierten Verhältnis zur lokalen Höhe (H) des gesamten Hohlraumes (12) steht, wobei dieses Verhältnis eine Funktion einer entlang der Rippe (11, 22) verlaufenden Ortskoordinate (s) ist, und wobei die variable lokale Höhe (h) der Rippe (11, 22) derart ausgestaltet ist, dass die Differenz (H-h) zwischen lokaler Höhe (H) des gesamten Hohlraumes (12) und lokaler Höhe (h) der Rippe (11, 22) im wesentlichen konstant ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kühlbares Turbinenblatt, im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelfuss und einem Blattbereich, welches Turbinenblatt eine druckseitige Wand und eine saugseitige Wand aufweist, wobei die beiden Wände im Anströmbereich an einer Anströmkante und im Abströmbereich an der Abströmkante unter Bildung eines im wesentlichen radial verlaufenden Hohlraumes für Kühlluft und/oder Kühldampf miteinander verbunden sind, wobei dieser Hohlraum durch im wesentlichen radial angeordnete Stege in radial verlaufende Kühlkanäle unterteilt ist und wobei wenigstens eine Rippe im bei der Anströmkante angeordneten vorderen Kühlkanal angeordnet ist, welche Rippe von wenigstens einer Wand in den Hohlraum hineinragend ausgebildet ist.
STAND DER TECHNIK
Um den grossen thermischen Belastungen in Gasturbinen, wie sie bei den heutigen hohen Prozesstemperaturen auftreten, gerecht zu werden, müssen sowohl Leitschaufeln wie auch Laufschaufeln gekühlt werden, damit keine Schädigungen des Materials auftreten. Die Kühlung sollte dabei möglichst effizient verlaufen, d. h. eine möglichst geringe Menge an Kühlluft sollte derart Einsatz finden, dass insbesondere die kritischen Stellen, d. h. jene Stellen, bei welchen Temperaturmaxima am ehesten auftreten, stets genügend gekühlt sind. Dabei ist es möglich, die Schaufeln entweder mit einer internen Kühlung zu kühlen, oder aber auch mit einer Kühlung durch ein externes Überströmen von Kühlluft (z. B. Filmkühlung), gegebenenfalls unter Verwendung von Dampf oder sogar eines Kühlfluids als Kühlmedium. Bei der internen Kühlung wird üblicherweise so vorgegangen, dass die Schaufel als Hohlprofil ausgebildet ist, und das Kühlmedium durch den Hohlraum gewissermassen im Inneren der Schaufel zur Kühlung verwendet wird. Dabei sollten auf der einen Seite die Wände möglichst dick sein, um die Stabilität der Schaufel zu erhalten, auf der anderen Seite sollten die Wände so dünn sein, dass die interne Kühlung genügende Effizienz entwickeln kann. Ausserdem sollte die Kühlluft so durch den Hohlraum geleitet werden, dass die Kühlwirkung insbesondere an den kritischen Stellen optimal ist, d. h. an diesen Stellen ein möglichst hoher Wärmeübergang stattfinden kann.
Insbesondere bei modernen, hoch optimierten Schaufeln, wie z. B. rotierenden Turbinenschaufeln, stellt sich das Problem, dass im Randbereich, das heisst in der Nähe der Anströmkante, in Folge des dort sehr hohen Wärmeübergangs im Staupunktbereich die Kühlung sehr problematisch ist. Die daraus folgenden hohen Temperaturen des Metalls in diesem Bereich führen zu grossen thermischen Belastungen, was in Kriechen und Rissbildung und damit verbundener schneller Ermüdung des Materials resultieren kann. Besonders kritisch in diesem Zusammenhang ist die Anströmkante, da dort die höchsten Temperaturen und Temperaturunterschiede auftreten.
So beschreiben z. B. die US 4,775,296 sowie die US 5,403,157 Schaufeln, deren Kühlkanäle Rippen aufweisen, welche zur kontrollierteren, d. h. thermisch effizienteren Durchströmung mit Kühlluft beitragen. Ebenso beschreibt die EP 0 892 149 A1 Turbinenschaufeln, welche im vordersten, der Anströmkante zugewandten Kühlkanal beiderseits angeordnete Rippen aufweisen, deren Höhe in einem bestimmten Verhältnis zur Gesamthöhe des Hohlraums stehen, so dass zwischen den beiden Rippen ein freier Kanal von im wesentlichen konstanter Höhe entsteht. Die Rippen erstrecken sich dabei gewissermassen in einem Halbrund von der druckseitigen zur saugseitigen Wand. Die Rippen verlaufen von der Vorderkante in Richtung Steg schräg auswärts. Dies zur Steigerung der Turbulenz im Vorderkantenbereich und zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten. Die Druckschrift US 4 514 144 A beschreibt Schaufeln einer Turbomaschine mit wenigstens einem inneren Kühldurchgang. Der Kühldurchgang weist wenigstens ein Paar gegenüberliegender Wände mit Turbulenzverstärkern auf, etwa integrierte Rippen oder Stiftreihen. Die Rippen oder Stiftreihen sind angewinkelt hinsichtlich der Mittenlinie der entsprechenden Wand und die Rippen oder Stiftreihen gegenüberliegender Wände sind zueinander angewinkelt.
Des Weiteren ist es bekannt, in rechteckigen Kanalprofilen von Gasturbinenschaufeln Rippen konstanter Rippenhöhe vorzusehen, welche Unterbrüche aufweisen (vgl. dazu z. B. R. L. Webb: Principles of Enhanced Heat Transfer, Wiley, 1994; sowie J. C. Han, S. Dutta: Internal Convection Heat Transfer and Cooling – An experimental approach, Part I–IV, VKI-LS 1995–05: Heat Transfer and Cooling in Gas Turbines). Dabei konnte gezeigt werden, dass unterbrochene Rippen eine höhere thermische Performance aufweisen im Vergleich zu konventionellen durchgängigen Rippen konstanter Höhe. In diesem Zusammenhang sei insbesondere auf die Dokumente US 5,395,212 , US 5,681,144 , sowie EP 0939196 A2 hingewiesen, in welchen für Schaufeln mit mehreren radialen Kühlkanälen unterbrochene, respektive nur teilweise über die Breite der Kanäle verlaufende Rippen konstanter Höhe beschreiben.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein kühlbares Turbinenblatt mit gut gekühlter Anströmkante respektive gut gekühltem vorderen Steg zur Verfügung zu stellen, bei welchem die interne Kühlung bei Durchströmung mit einem Kühlmedium, wie z. B. Kühlluft oder Kühldampf, oder einem Gemisch von diesen beiden, die Kühleffizienz möglichst hoch ist. Bei dem Turbinenblatt handelt es sich um ein Turbinenblatt, im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelfuss und einem Blattbereich, welches Turbinenblatt eine druckseitige Wand und eine saugseitige Wandaufweist, wobei die beiden Wände im Anströmbereich an einer Anströmkante und im Abströmbereich an der Abströmkante unter Bildung eines im wesentlichen radial verlaufenden Hohlraumes für Kühlluft und/oder Kühldampf miteinander verbunden sind, wobei dieser Hohlraum durch im wesentlichen radial angeordnete Stege in radial verlaufende Kühlkanäle unterteilt ist und wobei wenigstens eine Rippe im bei der Anströmkante angeordneten vorderen Kühlkanal angeordnet ist, welche Rippe von wenigstens einer Wand in den Hohlraum hineinragend ausgebildet ist. Es handelt sich mit anderen Worten um ein Turbinenblatt, welches einen durch radiale Trennwände strukturierten Kühlkanal aufweist, bei welchem das Kühlmedium, z. B. Kühlluft, Kühlflüssigkeit oder Kühldampf, gewissermassen einer Schlangenlinie folgend von der Anströmkante zur Abströmkante von den Trennwänden geleitet geführt wird (vgl. dazu z. B. die US 5,395,212 , die US 5,681,144 sowie die EP 0939196 ). Bei derartigen Turbinenblättern mit einem radialen Kühlkanal mit sehr hohen externen Wärmebelastungen (z. B. eben im Bereich der Anströmkante) ist die Kühlung meist schwierig optimal einstellbar. Diese Tatsache kann bei ungenügender Berücksichtigung zu schädlichen Gradienten in der Temperaturverteilung innerhalb des Turbinenblattes führen in dieser besonders belasteten Region. Die Aufgabe ist es mit anderen Worten, derartige, zu Materialschädigungen führende Gradienten weitgehend zu vermeiden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass die Rippe an wenigstens einer Stelle einen Unterbruch aufweist, und die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Wand betrachtete Höhe der Rippe entlang der Rippe variabel ausgebildet ist. Es werden Rippen verwendet, welche nicht durchgehend ausgebildet sind, sondern gezielt Unterbrechungen aufweisen, um das Strömungsverhalten zu optimieren. Dies geschieht bei variablen Rippen, d. h. bei Rippen, welche entlang der Verlaufsrichtung der Rippe im Kanal eine lokal unterschiedliche Höhe aufweisen. In ihrer Höhe variable Rippen weisen den Vorteil auf, dass sich, insbesondere z. B. bei der Einstellung eines festen Verhältnisses zur lokalen Höhe des gesamten Kühlkanals, die Flussverhältnisse über die gesamte Breite des Kühlkanals spezifisch einstellen lassen. Die Kombination von derartigen variablen Rippen mit Unterbrechungen führt zu einem niedrigeren Druckabfall und damit zu einer höheren thermischen Effizienz und kann, insbesondere bei geeignet angepasster Anordnung der Unterbrechungen, zur gezielten lokalen Verbesserung der Kühlung in bestimmten Bereichen infolge der resultierenden Erhöhung der Turbulenz und Sekundärströmung der Kühlluft im Kanal verwendet werden. Dies überraschenderweise auch unter den mechanisch und thermisch schwierigen Bedingungen in hoch belasteten Turbinenblättern. Insbesondere, aber nicht ausschliesslich, in den Randzonen kann so die thermische Effizienz der Kühlung durch die Erhöhung der lokalen Kühlluftströmung respektive – turbulenz beeinflusst und z. B. lokal stark erhöht werden. Ausserdem führen die Unterbrüche zu einer vorteilhaften Reduktion des Gewichtes des Turbinenblattes für rotierende Turbinenschaufeln. Des weiteren ist die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Wand betrachtete Höhe des gesamten Hohlraumes variabel ausgebildet, wobei der Hohlraum quasi dreiecksförmig oder halbrundförmig, begrenzt in Richtung Abströmkante durch einen vorderen, im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Turbinenblattes angeordneten radialen Steg und in Richtung Anströmkante zulaufend oder halbrund ausgebildet ist. Dabei ist die variable lokale Höhe der Rippe im wesentlichen in einem festen Verhältnis zur lokalen Höhe des gesamten Hohlraumes eingestellt. So ergibt sich über die gesamte Breite des Kühlkanales ein einstellbares sekundäres Strömungsverhalten der Kühlluft.
Das Verhältnis zwischen der Höhe der Rippe und der Höhe des gesamten Kanals beträgt dabei typischerweise 1:2 bis 1:50, insbesondere bevorzugt im Bereich von 1:3 bis 1:10.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die lokale Rippenhöhe h in Bezug auf die lokale Gesamtkanalhöhe H als bestimmte Funktion der Ortskoordinate ausgebildet ist. Dabei ist es z. B. vorteilhaft, die Funktion h/H so zu wählen, dass die Differenz von Gesamthöhe und Höhe der Rippe im wesentlichen konstant ist. So entsteht zwischen gegenüberliegender Wand oder gegenüberliegender Rippe und der betrachteten Rippe ein freiliegender Bereich von konstanter Höhe, und entsprechend stellt sich unabhängig von der relativen Lage der beiden gegenüberliegenden Wände ein homogener Kühlmediumsfluss zwischen Anströmkante und vorderem Steg ein. Durch die Kombination mit Unterbrüchen können die Sekundärströmungen im Kanal anschliessend gezielt beeinflusst werden und der lokale Wärmeübergang wird lokal gezielt geändert.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Unterbruch eine Tiefe auf, welche wenigstens teilweise geringer als die lokale Höhe der Rippe ist. Mit anderen Worten kann es sich beim Unterbruch auch um gewissermassen eine Aussparung handeln, bei welcher die Rippe nicht vollständig unterbrochen wird, sondern in diesem Bereich einfach eine wesentlich reduzierte Höhe aufweist. An der gewissermassen tiefsten Stelle des Unterbruches beträgt dabei die Höhe der Rippe typischerweise 5–30% der Höhe der Rippe in den unmittelbar an den Unterbruch grenzenden Bereichen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zeichnen sich die Rippen dadurch aus, dass sie sich im wesentlichen über die ganze Länge des Hohlraumes zwischen dem vorderen Steg und der Anströmregion erstrecken. Unter ”im wesentlichen ganze Länge” sei hier auch eine Rippe zu verstehen, welche nicht bis ganz an den vorderen Steg respektive Anströmregion heranragt, sondern gegebenenfalls auch kurz davor bereits aufhört.
Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Rippen sowohl an der saugseitigen als auch an der druckseitigen Wand angeordnet, wobei bevorzugt die von den verschiedenen Wänden hineinragenden Rippen an der Anströmkante aneinandergrenzen. Dies bedeutet, dass die aneinandergrenzenden Rippen gewissermassen umlaufend ausgebildet sind, das heisst sich gewissermassen kontinuierlich von der einen Seite des vorderen Stegs entlang der einen Wand über die Anströmkante und anschliessend entlang der anderen Wand zu anderen Seite des vorderen Steges erstrecken, wobei die Rippen natürlich an der Vorderkante zueinander in Flussrichtung versetzt sind. Dabei kann gegebenenfalls im Bereich der Anströmkante ein Bereich der Rippen vorgesehen werden, bei welchem die Rippen im wesentlichen senkrecht zur Anströmkante ausgebildet sind, das heisst dort nicht relativ zum Kühlmediumsstrom schräg angeordnet sind. Bevorzugt werden an derselben Wand angeordneten Rippen im wesentlichen parallel angeordnet. Auch die an den gegenüberliegenden Wänden angeordneten Rippen können parallel angeordnet werden. Oder aber es können die Rippen in Bezug auf den Kühlluftstrom oder Kühldampfstrom angewinkelt angeordnet werden, wobei insbesondere bevorzugt die Rippen jeweils in Bezug auf die Achse der Gasturbine axialer Richtung einen Winkel im Bereich von 15 bis 75 Grad, bevorzugt einen Winkel im Bereich von 45 bis 60 Grad einschliessen, wobei die Winkel von auf unterschiedlichen Seiten angeordneten Rippen unterschiedlich sein können.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Rippen sowohl an der saugseitigen wie auch an der druckseitigen Wand angeordnet sind, wobei sich entlang der Anströmkante saugseitige Rippen und druckseitige Rippen abwechseln, wobei die Rippen im Bereich der Anströmkante einen Bereich aufweisen, bei welchem die Rippen im wesentlichen senkrecht zur Anströmkante ausgebildet sind, und sich in diesem Bereich die Rippen bis an der gegenüberliegenden Wand erstrecken, sodass diese Bereiche der alternierenden Rippen entlang der Anströmkante übereinander zu liegen kommen.
Gemäss einer weitergehenden bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Rippen rechteckigen, quadratischen, dreieckigen, abgerundeten oder semi-elliptischen Querschnitt auf. Die Rippen weisen dabei bevorzugtermassen eine Höhe auf, welche um wenigstens 5 bis 30 Prozent in Bezug auf die lokale Gesamttiefe des Hohlraumes in den Hohlraum hineinragen, wobei bei mehreren Rippen die Rippen insbesondere bevorzugt einen Abstand aufweisen, welcher im Bereich von 5 bis 30% der Dicke einer Rippe liegt.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Unterbrüche eine Länge von maximal 30 Prozent in Bezug auf die Gesamtlänge der Rippe zwischen dem vorderen Steg und der Anströmregion auf Die Rippen können dabei entweder nur von einer Seite in den Hohlraum hineinragen, oder aber sie können sowohl von der saugseitigen Wand als auch von der druckseitigen Wand in den Hohlraum hineinragen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines Turbinenblattes, wie es oben beschrieben wurde.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Turbinenblattes im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Turbinenblattes;
2 einen Schnitt entlang der Linie I-I in 1 durch ein Turbinenblatt; und
3a)–b) aufgerollte Innenansichten des vorderen Kühlkanals, Sicht auf die Anströmkante von innen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen axialen Schnitt durch ein Turbinenblatt 1 senkrecht zur Ebene des Turbinenblattes von der Seite des Kopfes der Schaufel. Das Turbinenblatt weist eine Druckseite 2 und eine Saugseite 3 auf. Das Turbinenblatt 1 ist als Hohlprofil ausgebildet, wobei eine druckseitige Wand 8 und eine saugseitige Wand 9 in Richtung der Abströmkante 5 unter einem spitzen Winkel aneinander grenzen, und im Anströmbereich 4 bei einer Anströmkante 18 aneinander grenzen. Dabei ist üblicherweise der Übergang bei der Anströmkante mehr oder weniger gerundet ausgeführt. Der Hohlraum zwischen den beiden Wänden 8 und 9 wird durch im wesentlichen radial verlaufende Stege 6 und 7 in Kühlkanäle 12, 13 und 14 unterteilt. In diesem Fall sind zwei Stege angeordnet, es ist aber auch gleichermassen möglich, nur einen Steg oder eine Vielzahl von Stegen vorzusehen. Das Kühlmedium, in diesem Fall Luft, wird, wie in 2 ersichtlich werden wird, im vorderen Kühlkanal 12 nabenseitig zugeführt, in dem vorderen Kühlkanal 12 radial nach aussen geleitet, im Bereich des Kopfes der Schaufel um 180 Grad umgeleitet und anschliessend durch den mittleren Kühlkanal 13 wiederum in Richtung der Achse geleitet, am Schaufelfuss nochmals um 180 Grad umgeleitet und dem hintersten Kühlkanal 14 zugeleitet. Dabei bedeutet ein Kreis mit einem Punkt eine Strömungsrichtung der Kühlluft 10 senkrecht zur Ebene des Papiers in Richtung zum Betrachter, und ein Kreis mit einem Kreuz eine Strömungsrichtung der Kühlluft 10 senkrecht zur Ebene des Papiers in Richtung weg vom Betrachter. Anschliessend entweicht die Kühlluft 10 aus diesem hinteren Kühlkanal 14 über Ausblasöffnungen.
Hier weist die druckseitige Wand 8 eine Rippe 11 auf, deren lokale Höhe h in Richtung zur Anströmkante 18 abnehmend ausgestaltet ist, wobei hier die Kontur so gewählt ist, dass der freiliegende Raum zwischen der gegenüberliegenden, saugseitigen Wand 9 und der Rippe eine im wesentlichen konstante Breite (H-h) aufweist. So wird sichergestellt, dass der primäre Kühlluftstrom dem vorderen Kühlkanal 12 zwischen dem vorderen Steg 6 und der Anströmkante 18 im wesentlichen homogen ist. Bei diesem im wesentlichen homogenen primären Kühlluftstrom kann anschliessend besonders kontrolliert durch ein Vorsehen von Unterbrüchen 15 lokal die Intensität des Wärmeüberganges gezielt verändert werden. Im Fall des Ausführungsbeispiels gemäss 1 ragt die Rippe 11 nicht vollständig an den vorderen Steg 6 heran, sondern verjüngt sich unmittelbar davor zurück bis zur Wand 8. Ausserdem ist in diesem Fall nur ein Unterbruch 15 so ausgestaltet, dass sich dort die Rippe bis zur Wand 8 verjüngt. Der zweite Unterbruch 17 ist als unvollständiger Unterbruch ausgestaltet, bei welchem sich die Höhe der Rippe lokal etwas verjüngt, ohne aber bis zur Wand 8 zurückzugehen. So stehen allgemein zur Einstellung der lokalen Intensität des Wärmeüberganges gewissermassen zwei Variablen zur Verfügung, nämlich einerseits die Anbringung einer bestimmten Anzahl von Unterbrüchen, sowie deren Tiefe. Es ist auch möglich, bei derartigen Rippen 11 respektive 16 nur einen Unterbruch oder aber auch eine Vielzahl von Unterbrüchen vorzusehen.
2 zeigt ein Turbinenblatt gemäss 1 in einem Schnitt gemäss der in dieser Figur angegebenen Linie I-I, d. h. in einem Schnitt im wesentlichen parallel zur Ebene des Turbinenblattes. Dabei ist erkennbar, wie die Kühlluft 10 dem vorderen Kühlkanal 12 vom Schaufelfuss 20 zugeführt wird, durch den vorderen Kühlkanal 12 radial zum Schaufelkopf 21 geleitet wird, beim Schaufelkopf 21 umgeleitet wird, um anschliessend durch den mittleren Kühlkanal 13 wiederum zum Schaufelfuss 20 zu fliessen, um zuletzt nach einer weiteren Umlenkung beim Schaufelfuss 20 wiederum radial nach aussen im hinteren Kühlkanal 14 zu strömen. Aus dem Kühlkanal 14 wird die Kühlluft 19 über entsprechende Ausblasöffnungen dem das Turbinenblatt umströmenden Medium übergeben. In 2 wird insbesondere ersichtlich, wie die Rippen 11 im vorderen Kanal 12 abgeschrägt angeordnet sind (Unterbrüche nicht dargestellt). In diesem Falle weisen die Rippen 11 unmittelbar bei der Anströmkante 18 zunächst einen horizontalen Bereich auf, in welchem die Rippen senkrecht zur Anströmkante respektive senkrecht zum Kühlluftstrom 10 angeordnet sind.
Anschliessend an diesen horizontalen Bereich sind die Rippen 11 zum vorderen Steg 6 hin nach radial aussen schräg ausgebildet. Sie schliessen dabei zur Horizontalen einen Winkel α ein, welcher üblicherweise im Bereich von 0 oder 5 Grad bis 75 Grad liegt, insbesondere bevorzugt wird dabei ein Winkel α von im Bereich von 45 Grad eingestellt.
Hierbei dient der kleine horizontal verlaufende Bereich der Rippen unmittelbar an der Vorderkante zur weiteren Erhöhung des Wärmeüberganges direkt an dieser Stelle, die die höchste externe Wärmelast aufweist.
Zum besseren Verständnis der Anordnung der Rippe 11 ist ausserdem in 3 eine aufgerollte Ansicht von innen auf die Anströmkante 18 dargestellt. 3a) zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem wiederum Rippe 11 an beiden Wänden 8 und 9 angeordnet sind. Dabei gehen aber diese beiden Rippen bei der Anströmkante 18 nicht kontinuierlich ineinander über, sondern es wechseln sich jeweils Rippen an der einen oder anderen Wand ab. Dabei überlappen die Rippen in einem Bereich 23, welcher horizontal ausgestaltet ist, und bei welchem die Rippen jeweils an die gegenüberliegende Wand übergreifen (wie dies z. B. im Fall von 1 beim Vorliegen von nur einer Rippe dargestellt ist).
Im Gegensatz dazu zeigt 3b) ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Rippen an den beiden Wänden 8 respektive 9 gewissermassen symmetrisch angeordnet sind. Dabei wechseln sich kurze Rippen 22, welche an der Anströmkante 18 unter Bildung eines Winkels unmittelbar aneinander grenzen, mit langen Rippen 11 ab, welche wesentlich länger ausgebildet sind, d. h. sich weiter bis zum vorderen Steg 6 erstrecken. Diese langen Rippen grenzen an der Anströmkante 18 nicht aneinander, und weisen ausserdem Unterbrüche 15 (ggf. auch unvollständige Unterbrüche 17) auf, während die kurzen Rippen 22 in diesem Fall keine Unterbrüche aufweisen, aber gewissermassen terminal einen Unterbruch aufweisen, d. h. eben wesentlich kürzer sind.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenblatt
2: Druckseite
3: Saugseite
4: Anströmbereich
5: Abströmkante
6: vorderer Steg
7: hinterer Steg
8: druckseitige Wand
9: saugseitige Wand
10: radialer Kühldampfstrom
11: Rippe
12: vorderer Kühlkanal
13: mittlerer Kühlkanal
14: hinterer Kühlkanal
15: Unterbruch in 11
17: Unterbruch (unvollständig)
18: Anströmkante
19: ausgeblasene Kühlluft
20: Schaufelfuss
21: Schaufelkopf
22: V-förmige, verkürzte Rippe
23: nicht abgeschrägter Bereich von 11
h: Höhe der Rippe (lokale Höhe, druckseitige Wand)
h': Höhe der Rippe (lokale Höhe, saugseitige Wand)
H: Höhe des Hohlraums 14 (lokale Höhe)
s: Ortskoordinate in der Schaufel entlang der Schnittlinie I-I

Claims

Kühlbares Turbinenblatt (1) im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelfuss und einem Blattbereich, welches Turbinenblatt (1) eine druckseitige Wand (8) und eine saugseitige Wand (9) aufweist, wobei die beiden Wände (8, 9) im Anströmbereich (4) an einer Anströmkante (18) und im Abströmbereich an der Abströmkante (5) unter Bildung eines im wesentlichen radial verlaufenden Hohlraumes für Kühlluft (10) und/oder Kühldampf miteinander verbunden sind, wobei dieser Hohlraum durch im wesentlichen radial angeordnete Stege (6, 7) in radial verlaufende Kühlkanäle (12, 13, 14) unterteilt ist, wobei wenigstens eine Rippe (11, 22) im bei der Anströmkante (18) angeordneten vorderen Kühlkanal (12) angeordnet ist, welche Rippe (11, 22) von wenigstens einer Wand (8, 9) in den Hohlraum hineinragend ausgebildet ist, und die Rippe (11, 22) an wenigstens einer Stelle einen Unterbruch (15, 17) aufweist, und die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Wand (8, 9) betrachtete Höhe (h) der Rippe (11, 22) entlang der Rippe (11) variabel ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Wand (8, 9) betrachtete Höhe (H) des gesamten Hohlraumes (10) variabel ausgebildet ist, wobei der Hohlraum (10) quasi dreiecksförmig oder halbrundförmig, begrenzt in Richtung Abströmkante (5) durch einen vorderen, im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Turbinenblattes angeordneten radialen Steg (6) und in Richtung Anströmkante (18) zulaufend oder halbrund ausgebildet ist, wobei die Rippe (11, 22) in Richtung Anströmkante (18) schräg verlaufend ist, die variable lokale Höhe (h) der Rippe (11, 22) im wesentlichen in einem vorgegebenen und definierten Verhältnis zur lokalen Höhe (H) des gesamten Hohlraumes (12) steht, wobei dieses Verhältnis eine Funktion einer entlang der Rippe (11, 22) verlaufenden Ortskoordinate (s) ist, und wobei die variable lokale Höhe (h) der Rippe (11, 22) derart ausgestaltet ist, dass die Differenz (H-h) zwischen lokaler Höhe (H) des gesamten Hohlraumes (12) und lokaler Höhe (h) der Rippe (11, 22) im wesentlichen konstant ist.
Turbinenblatt (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die variable lokale Höhe (h) der Rippe (11, 22) im wesentlichen in einem konstanten Verhältnis (h/H) zur lokalen Höhe (H) des gesamten Hohlraumes (12) steht, wobei bevorzugt dieses konstante Verhältnis (h/H) im Bereich von 1:2 bis 1:50 liegt.
Turbinenblatt (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante Verhältnis (h/H) im Bereich von 1:3 bis 1:10 liegt.
Turbinenblatt (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbruch (17) eine Tiefe aufweist, welche wenigstens teilweise geringer als die lokale Höhe (h) der Rippe (11, 22) ist.
Turbinenblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (11) sich im wesentlichen über die ganze Länge des vorderen Kühlkanales (12) zwischen der Anströmkante (18) und dem einem vorderen Steg (6), welcher den vorderen Kühlkanal (14) abströmseitig begrenzt, erstreckt.
Turbinenblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Rippen (11, 22) sowohl an der saugseitigen (9) wie auch an der druckseitigen Wand (8) angeordnet sind, wobei bevorzugt die von den verschiedenen Wänden (8, 9) hineinragenden Rippen (11, 22) an der Anströmkante (18) aneinander grenzen, wobei gegebenenfalls im Bereich der Anströmkante (18) die Rippen (11) einen Bereich (23) aufweisen, bei welchem die Rippen (11) im wesentlichen senkrecht zur Anströmkante (18) ausgebildet sind, und wobei insbesondere bevorzugt an derselben Wand (8, 9) angeordnete Rippen (11) im wesentlichen parallel angeordnet sind.
Turbinenblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Rippen (11, 22) sowohl an der saugseitigen (9) als auch an der druckseitigen Wand (8) angeordnet sind, wobei sich entlang der Anströmkante (18) saugseitige Rippen und druckseitige Rippen (11) abwechseln, wobei die Rippen im Bereich der Anströmkante (18) einen Bereich (23) aufweisen, bei welchem die Rippen (11) im wesentlichen senkrecht zur Anströmkante (18) ausgebildet sind, und sich in diesem Bereich (23) die Rippen an der gegenüberliegenden Wand erstrecken, sodass diese Bereiche (23) der alternierenden Rippen (11) entlang der Anströmkante (18) übereinander zu liegen kommen.
Turbinenblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11, 22) in Bezug auf den Kühlluftstrom (10) oder Kühldampfstrom angewinkelt angeordnet sind, wobei sie in Richtung Abströmkante (5) schräg verlaufend angewinkelt sind und wobei die Rippen (11, 22) jeweils in Bezug auf die Achse der Gasturbine axialer Richtung einen Winkel (a) im Bereich von 15 bis 75 Grad, bevorzugt ein Winkel im Bereich von 45 bis 60 Grad einschliessen, wobei die Winkel (a) von auf unterschiedlichen Seiten (8, 9) angeordneten Rippen (11, 22) unterschiedlich sein können.
Turbinenblatt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rippe (11, 22) einen rechteckigen, quadratischen, dreieckigen, abgerundeten oder semi-elliptischen Querschnitt aufweist.
Turbinenblatt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Rippen die Rippen (11, 22) einen Abstand aufweisen, welcher im Bereich von 5 bis 20% der Dicke einer Rippe (11, 22) liegt.
Turbinenblatt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Unterbruch (15, 17) eine Länge von im Bereich bis 30 Prozent in Bezug auf die Gesamtlänge der Rippe (11) zwischen der Anströmkante (18) und dem vorderen Steg (7) aufweist.
Turbinenblatt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine mit Dampf gekühlte Leitschaufel oder eine Laufschaufel für eine Gasturbine oder eine Niederdruckgasturbine handelt.