DE10316974A1

DE10316974A1 - Coolable blade for a turbine has a footing of blades and a blade area as well as walls on the delivery side and the induction side

Info

Publication number: DE10316974A1
Application number: DE2003116974
Authority: DE
Inventors: Sacha Parneix; Bernhard Weigand
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-04-12
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Delivery and induction sides interlink on a flow-in edge (4) via a flow-in region (6) and on a flow-out edge (5) via a flow-out region (7) by creating a single cavity (10) in a radial direction for cool air/steam. Cooling fins (11) protrude from the delivery and induction sides into the cavity. An Independent claim is also included for a method for cooling a turbine blade.

Description

TECHNICAL AREA

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 an der Anströmkante über eine Anströmregion und an der Abströmkante über eine Abströmregion unter Bildung eines einzigen, im wesentlichen radial verlaufenden Hohlraumes für Kühlluft miteinander verbunden sind. Dabei ist wenigstens eine Rippe im Hohlraum angeordnet, welche von wenigstens einer Wand in den Hohlraum hineinragend ausgebildet ist. Beim Turbinenblatt kann es sich dabei um eine Laufschaufel oder um eine Leitschaufel handeln. The present invention relates essentially to a coolable turbine blade from a blade root and a blade area, which turbine blade has a pressure side Wall and a suction side wall, the two walls on the leading edge over an inflow region and at the trailing edge over an outflow region with formation a single, essentially radially extending cavity for cooling air with each other are connected. At least one rib is arranged in the cavity, which of at least one wall protrudes into the cavity. At the turbine blade can be a moving blade or a guide blade.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

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 zusätzlich unter Verwendung von Dampf. Bei der internen Kühlung wird üblicherweise so vorgegangen, dass die Schaufel als Hohlprofil ausgebildet ist, und Kühlluft 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. To the great thermal loads in gas turbines, as they are at today's high Process temperatures that occur must meet both guide vanes as well Blades are cooled so that no damage to the material occurs. The Cooling should be as efficient as possible, d. H. the smallest possible amount of Cooling air should be used in such a way that in particular the critical points, i.e. H. those Places at which temperature maxima are most likely to occur are always sufficiently cooled. It is possible to either cool the blades with internal cooling, or but also with cooling by external overflow of cooling air (e.g. Film cooling), if necessary additionally using steam. With the internal Cooling is usually carried out in such a way that the blade is designed as a hollow profile is, and cooling air through the cavity to a certain extent inside the blade Cooling is used. The walls should be as thick as possible on one side To maintain the stability of the bucket, on the other hand, the walls should be as thin be that the internal cooling can develop sufficient efficiency. In addition, the Cooling air is passed through the cavity in such a way that the cooling effect is particularly effective the critical points are optimal, d. H. the highest possible at these points Heat transfer can take place.

Insbesondere bei modernen, aerodynamisch hoch optimierten Schaufeln wie z. B. rotierenden Niederdruckschaufeln stellt sich das Problem, dass im Randbereich, das heisst in der Nähe der Anströmkante und der Abströmkante, in Folge des dort nur sehr dünn ausgebildeten inneren Hohlraumes und infolge des Strömungsverhaltens der Kühlluft, die Kühlwirkung in diesen Bereichen üblicherweise nur schlecht ist. Diese Randzonen werden nur schlecht durchströmt und entsprechend resultiert dort eine hohe Temperatur des Kühlmediums bei schlechtem Wärmeübergang. Die daraus folgenden hohen Temperaturen des Metalls in diesen Bereichen führen zu grosser thermischer Belastung, was in Kriechen und Rissbildung in diesen Bereichen und damit verbundener schneller Ermüdung des Materials resultieren kann. Especially with modern, aerodynamically highly optimized blades such as B. rotating low-pressure blades there is the problem that in the edge area, that is near the leading edge and the trailing edge, due to the fact that there is only very thin trained inner cavity and due to the flow behavior of the cooling air, the Cooling effect in these areas is usually poor. These marginal zones will be flows through only poorly and accordingly there results a high temperature of the Cooling medium with poor heat transfer. The resulting high temperatures of the metal in these areas lead to great thermal stress, resulting in creep and cracking in these areas and the associated rapid fatigue of the Material can result.

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 US 5,919,031 Turbinenschaufeln, welche im Kühlkanal Rippen aufweisen, welche insbesondere in Form von Winkeln vorgesehen sind, und welche eine über ihre Länge variable Höhe aufweisen, und insbesondere z. B. in Bezug auf die lokale Tiefe des Hohlraums zu dieser proportional ausgestaltet sind. So describe e.g. B. US 4,775,296 and US 5,403,157 blades, the Cooling channels have fins, which for the more controlled, i.e. H. thermally more efficient Cooling air flow contributes. US 5,919,031 also describes Turbine blades, which have ribs in the cooling channel, which are in particular in shape of angles are provided, and which have a variable height over their length, and especially z. B. proportional to the local depth of the cavity are designed.

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: Furthermore, it is known in rectangular duct profiles of gas turbine blades Provide ribs of constant rib height, which have interruptions (see e.g. R.L. Webb: Principles of Enhanced Heat Transfer, Wiley, 1994; and 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. Außerdem sei auf die US 5,797,726 verwiesen, welche bei einem Turbinenblatt mit einem einzigen Kühlkanal (Dreiecksprofil) unterbrochene Rippen konstanter Höhe beschreibt. Internal Convection Heat Transfer and Cooling - An experimental approach, Part I-IV, VKI-LS 1995-05 : Heat Transfer and Cooling in Gas Turbines). It could be shown that broken ribs have a higher thermal performance compared to conventional continuous ribs of constant height. In this context, reference is made in particular to documents US 5,395,212, US 5,681,144, and EP 0939196 A2, in which ribs of constant height which are interrupted for blades with a plurality of radial cooling channels or which only partially extend over the width of the channels describe constant heights. Reference is also made to US Pat. No. 5,797,726, which describes ribs of constant height interrupted in the case of a turbine blade with a single cooling channel (triangular profile).

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein kühlbares Turbinenblatt zur Verfügung zu stellen, bei welchem die interne Kühlung bei Durchströmung mit einem Kühlmedium wie z. B. Kühlluft, die Kühleffizienz möglichst hoch ist. Bei dem Turbinenblatt handelt es sich um ein Turbinenblatt im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelfuss und einem Blattbereich, wobei eine druckseitige Wand und eine saugseitige Wand vorhanden ist, wobei die beiden Wände an der Anströmkante über eine Anströmregion und an der Abströmkante über eine Abströmregion unter Bildung eines einzigen, im wesentlichen radial verlaufenden Hohlraumes für Kühlluft miteinander verbunden sind, und wobei wenigstens eine Rippe im Hohlraum 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 einzigen, z. B. doppel-dreieckig ausgebildeten, und nicht weiter (z. B. durch radiale Trennwände) strukturierten Kühlkanal aufweist. Bei derartigen Turbinenblättern mit einem einzigen, radialen Kühlkanal, der sich über die gesamte axiale Länge entlang der Schaufel erstreckt, und bei welchen deshalb die Unterschiede in der Höhe des Kühlluftkanals besonders ausgeprägt sind, ist die Durchströmung von Kühlluft meist schwierig optimal einstellbar. The invention is therefore based on the object of a coolable turbine blade To provide, in which the internal cooling when flowing through with a Cooling medium such as B. cooling air, the cooling efficiency is as high as possible. In which Turbine blade is a turbine blade consisting essentially of one Blade root and a blade area, with a pressure side wall and a suction side Wall is present, the two walls on the leading edge over a Inflow region and at the trailing edge over an outflow region to form a single, essentially radially extending cavity for cooling air with each other are connected, and wherein at least one rib is arranged in the cavity, which Rib of at least one wall protruding into the cavity. It in other words is a turbine blade which has a single, e.g. B. double triangular, and no further (e.g. by radial partitions) structured cooling duct. In such turbine blades with a single, radial cooling channel, which extends along the blade over the entire axial length, and in which the differences in the height of the cooling air duct are particularly important are pronounced, the flow of cooling air is usually difficult to optimally adjust.

Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass die Rippe an wenigstens einer Stelle einen Unterbruch aufweist und dass die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Turbinenblattes betrachtete Höhe der Rippe entlang der Rippe variabel ausgebildet ist. An Stelle der üblicherweise verwendeten durchgehenden, das heisst sich im wesentlichen von der Anströmregion bis zur Abströmregion erstreckenden Rippen werden mit anderen Worten 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. This object is achieved in that the rib on at least one Point has an interruption and that the local, essentially perpendicular to the plane of the turbine blade considered height of the rib along the rib is variable. Instead of the continuous ones that are usually used, this means essentially Ribs extending from the inflow region to the outflow region are joined with others Words used ribs, which are not continuous, but targeted Have interruptions to optimize the flow behavior. This happens at variable ribs, d. H. in the case of ribs which run along the direction of the rib in Channel have a locally different height.

Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, sich die bessere thermische Performance von unterbrochenen Rippen in einem obengenannten Kühlluftkanal zu Nutze zu machen. 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 der Kühlluft im Kanal verwendet werden. Dies überraschenderweise auch unter den mechanisch und thermisch schwierigen Bedingungen in hoch belasteten Turbinenblättern wie z. B. bei Niederdruck-Schaufeln trotz der dort vorhandenen engen, langgezogenen Kühlkanäle. 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. In other words, the essence of the invention is to get the better thermal Performance of broken fins in a cooling air duct mentioned above close. Variable ribs have the advantage that, in particular z. B. at the Setting a fixed ratio to the local height of the entire cooling duct, the Have the flow conditions specifically set across the entire width of the cooling channel. The Combination of such variable ribs with breaks leads to one lower pressure drop and thus higher thermal efficiency and can especially with a suitably adapted arrangement of the interruptions, for targeted local improvement in cooling in certain areas as a result of the resulting Increasing the turbulence of the cooling air in the duct can be used. This Surprisingly, even under the mechanically and thermally difficult conditions in heavily loaded turbine blades such as B. in low pressure blades in spite of there existing narrow, elongated cooling channels. In particular, but not exclusively, In the peripheral zones, the thermal efficiency of the cooling can be increased by increasing the influenced local cooling air flow or turbulence and z. B. locally increased become. In addition, the interruptions lead to an advantageous reduction in the Weight of the turbine blade for rotating turbine blades.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die lokale, im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Turbinenblattes betrachtete Höhe des gesamten Hohlraumes variabel ausgebildet, wobei insbesondere bevorzugt der Hohlraum quasi doppel-dreiecksförmig, zulaufend in Richtung Anströmkante und in Richtung Abströmkante ausgebildet ist. Bevorzugt kann dabei die variable lokale Höhe der Rippe im wesentlichen in einem festen Verhältnis zur lokalen Höhe des gesamten Hohlraumes eingestellt werden. So ergibt sich über die gesamte Breite des Kühlkanales eine homogenes 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 : 50. According to a first preferred embodiment of the present invention, the local height of the. considered essentially perpendicular to the plane of the turbine blade entire cavity is variable, with particular preference the cavity quasi double triangular, tapering towards the leading edge and towards Trailing edge is formed. The variable local height of the rib in the essentially in a fixed ratio to the local height of the entire cavity can be set. This results in a homogeneous across the entire width of the cooling channel secondary flow behavior of the cooling air. The ratio between the height of the rib and the height of the entire channel is typically 1: 2 to 1:50, in particular preferably in the range from 1: 3 to 1:50.

Weiterhin ist es auch möglich, dass die lokale Rippenhöhe h im Bezug auf die lokale Gesamtkanalhöhe H als bestimmte Funktion der Ortskoordinate ausgebildet ist. Dabei ist es vorteilhaft, die Funktion h/H so zu wählen, dass das Verhältnis h/H in Richtung auf die scharfkantigen Ecken des Kühlkanals z. B. proportional abnimmt. So können die Sekundärströmungen im Kanal beeinflusst werden und der lokale Wärmeübergang wird gezielt geändert. Furthermore, it is also possible that the local rib height h in relation to the local one Total channel height H is designed as a specific function of the location coordinate. It is it is advantageous to choose the function h / H so that the ratio h / H towards the sharp-edged corners of the cooling channel z. B. decreases proportionally. So they can Secondary flows in the channel are affected and the local heat transfer will deliberately changed.

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 einen Aussparung handeln, bei welche die Rippen 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. According to a further preferred embodiment of the present invention the interruption to a depth that is at least partially less than the local height the rib is. In other words, the interruption can also be to some extent act a recess in which the ribs are not completely interrupted, but simply has a significantly reduced height in this area. At the To some extent the lowest point of the interruption is the height of the rib typically 5-30% of the height of the rib immediately adjacent to the break bordering areas.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zeichnen sich die Rippen dadurch aus, dass sie sich im wesentlichen über die ganze Länge des Hohlraumes zwischen der Anströmregion und der Abströmregion erstrecken. Unter "im wesentlichen ganze Länge" sei hier auch eine Rippe zu verstehen, welche nicht bis ganz an die Anströmregion respektive Abströmregion heranragt, sondern gegebenenfalls auch kurz davor bereits aufhört. According to a further preferred embodiment, the ribs are characterized by this from the fact that they extend essentially over the entire length of the cavity between the The inflow region and the outflow region extend. Under "essentially entire length" a rib should also be understood here, which does not reach all the way to the inflow region outflow region, but possibly also shortly before ceases.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe zulaufend unter Bildung einer Spitze ausgebildet ist und zwei Schenkel aufweist, wobei bevorzugt die Spitze in Strömungsrichtung der Kühlluft angeordnet ist, und wobei insbesondere bevorzugt jeweils ein Schenkel mit der in Bezug auf die Achse der Gasturbine axialen Richtung einen Winkel α₁ respektive α₂ im Bereich von 30 bis 90 Grad, bevorzugt unter einem Winkel im Bereich von 45 bis 60 Grad einschliesst, wobei die Winkel α₁ respektive α₂ der beiden Schenkel unterschiedlich sein können. Die Kombination von den erfindungsgemässen Unterbrechungen mit derartigen insbesondere spitzwinkligen Rippen erweist sich als besonders effizient. Üblicherweise werden dabei wenigstens zwei Rippen im Hohlraum angeordnet und die Spitzen in radialer Richtung zueinander ausgerichtet, d. h. die Spitzen liegen gewissermassen auf einer Linie. Die vorgeschlagenen Unterbrüche können dabei an verschiedenen Stellen dieser Rippen angeordnet sein. So können beispielsweise eine oder mehrere Unterbrüche in einem oder mehreren der Schenkel angeordnet sein, und/oder aber es ist auch möglich den Unterbruch bei der Spitze anzuordnen, so dass nicht mehr wirklich eine Spitze vorliegt, sondern einfach zwei Schenkel vorhanden sind, welche in gewinkelter Weise aufeinander gerichtet sind. Another preferred embodiment of the invention is characterized in that the rib is formed tapering to form a tip and has two legs, the tip preferably being arranged in the direction of flow of the cooling air, and particularly preferably one leg each with respect to the axis the gas turbine in the axial direction includes an angle α ₁ or α ₂ in the range from 30 to 90 degrees, preferably at an angle in the range from 45 to 60 degrees, the angles α ₁ or α _{2 of} the two legs being different. The combination of the interruptions according to the invention with such in particular acute-angled ribs has proven to be particularly efficient. Usually, at least two ribs are arranged in the cavity and the tips are aligned with one another in the radial direction, ie the tips are to a certain extent in line. The proposed interruptions can be arranged at different locations on these ribs. For example, one or more interruptions can be arranged in one or more of the legs, and / or it is also possible to arrange the interruption at the tip, so that there is no longer really a tip, but simply two legs which are angled Are directed towards each other.

Gemäss einer weitergehenden bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Rippen rechteckigen, quadratischen, dreieckigen, abgerundeten oder semielliptischen 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. According to a further preferred embodiment of the present invention have the ribs rectangular, square, triangular, rounded or semi-elliptical cross-section. The ribs preferably have a height, which is at least 5 to 30 percent in relation to the total local depth of the Protrude cavity into the cavity, the ribs with several ribs particularly preferably have a distance which is in the range from 5 to 30% of the Thickness of a rib lies.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Unterbrüche eine Länge von maximal 30 Prozent in Bezug auf die Gesamtlänge der Rippe zwischen der Anströmregion und der Abströmregion 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. Dabei werden die von den verschiedenen Wänden hineinragenden Rippen bevorzugt versetzt angeordnet. According to a further preferred embodiment of the invention, the Breaks a maximum length of 30 percent in relation to the total length of the rib between the inflow region and the outflow region. The ribs can either protrude into the cavity from one side only, or they can both from the suction side wall as well as from the pressure side wall into the cavity protrude. The ribs protruding from the various walls preferably arranged offset.

BRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen: The invention is intended to be explained below using exemplary embodiments in connection with the drawings are explained in more detail. Show it:

Fig. 1a) einen radialen Schnitt durch ein Turbinenblatt entlang der Linie I-I in Fig. 1b); einen Schnitt durch das Profil gem. Fig. 1a) entlang der Linie II-II; und Fig 1a) is a radial section through a turbine blade taken along the line II in Fig 1b)..; a section through the profile. Fig. 1a) along the line II-II; and

Fig. 2a)-c): verschiedene Möglichkeiten von Design und Anordnung der Rippen bei Schnitten gem. Fig. 1a); sowie d)-f) verschiedene Möglichkeiten von Design und Anordnung der Unterbrüche bei Schnitten gem. Fig. 1b). Fig. 2a) -c): different possibilities of design and arrangement of the ribs in accordance with cuts. Fig. 1a); and d) -f) various possibilities of design and arrangement of the interruptions in cuts acc. Fig. 1b).

WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

Fig. 1 zeigt ein kühlbares Turbinenblatt 1 nach dem Stand der Technik in einem radialen Schnitt (a, I-I) und in einem Schnitt entlang der Rippen 11 (b, II-II) durch ein Blatt nach Fig. 1a). Es handelt sich dabei um eine hoch optimierte Schaufelgeometrie, wie sie insbesondere bei rotierenden Schaufeln bei Niederdruckturbinen verwendet wird. Das Turbinenblatt 1 ist äls Hohlprofil ausgebildet, wobei die druckseitige Wand 8, d. h. die Wand, welche dem heissen Luftstrom zugewandt ist, und die saugseitige Wand 9, d. h. die Wand, welche dem heissen Luftstrom abgewandt ist, im Bereich der Anströmkante 4 über eine Anströmregion 6 miteinander verbunden sind, und im Bereich der Abströmkante 5 über eine Abströmregion 7 miteinander verbunden sind. Auf Grund des aerodynamischen Profils des Turbinenblattes resultiert so ein Hohlraum, welcher die Form einer gewissermassen gekrümmten Linse, auch doppel-dreiecksförmig genannt, aufweist, das heisst in Richtung der Abströmkante 5 sowie der Anströmkante 4 verjüngt sich der radiale Kühlkanal in spitz zulaufender Weise. Das Turbinenblatt 1, hier handelt es sich um eine Laufschaufel, es kann sich aber gleichermassen um eine Leitschaufel handeln, weist, wie in Fig. 1a) im unteren Teil dargestellt, einen Fussbereich auf, bei welchem das Profil mit Auswölbungen 14 versehen ist, welche beim Aneinanderreihen der mehreren Schaufeln zu einer Plattform zusammengefügt werden. Fig. 1 shows a coolable turbine blade 1 according to the prior art, in a radial section (a, II), and (b, II-II), in a section along the ribs 11 by a sheet of Fig. 1a). It is a highly optimized blade geometry, as is used in particular in rotating blades in low-pressure turbines. The turbine blade 1 is designed as a hollow profile, the pressure-side wall 8 , ie the wall which faces the hot air flow, and the suction-side wall 9 , ie the wall which faces away from the hot air flow, in the region of the leading edge 4 via an inflow region 6 are connected to one another, and are connected to one another in the region of the trailing edge 5 via an outflow region 7 . Due to the aerodynamic profile of the turbine blade, this results in a cavity which has the shape of a somewhat curved lens, also called a triangular shape, that is to say in the direction of the trailing edge 5 and the leading edge 4 , the radial cooling channel tapers to a point. The turbine blade 1 , here it is a moving blade, but it can equally well be a guide blade, has, as shown in Fig. 1a) in the lower part, a foot area in which the profile is provided with bulges 14 , which when stringing together the several blades to form a platform.

In diesem Fall weist das Turbinenblatt 1 kein Deckband auf, und der Kühlkanal ist in radialer Richtung nach aussen offen ausgebildet. Die Kühlluft 10 wird von der axialen Seite der Schaufel in den Kühlkanal geführt und strömt dann in radialer Richtung nach aussen durch den Kühlkanal. Der Kühlkanal weist dabei spezielle V-förmige Rippen 11 auf, welche an der druckseitigen Wand 8 angebracht sind und in den Kühlkanal hineinragen. Die Rippen 11 sind V-förmig spitz zulaufend ausgebildet, d. h. sie weisen jeweils zwei Schenkel 13a (abströmseitig) und 13b (anströmseitig) auf, welche sich bei einer Spitze 12 treffen. Die Spitzen 12 der mehreren Rippen 11 sind dabei in diesem Fall ausgerichtet, das heisst die Spitzen kommen auf einer im wesentlichen radiale verlaufenden gemeinsamen Linie zu liegen. Die Schenkel 13 sind dabei um einen Winkel α₁ (13a) respektive α₂ (13b) gegenüber dieser die Spitzen verbindenden Linie abgewinkelt. Die Winkel α₁ und α₂ können dabei unterschiedliche Werte annehmen, und liegen üblicherweise im Bereich von 30 bis 90 Grad, bevorzugt im Bereich von 45 bis 60 Grad, wobei diese beiden Winkel unterschiedlich sein können. In this case, the turbine blade 1 has no shroud, and the cooling duct is open to the outside in the radial direction. The cooling air 10 is guided into the cooling duct from the axial side of the blade and then flows outward in the radial direction through the cooling duct. The cooling channel has special V-shaped ribs 11 which are attached to the pressure-side wall 8 and protrude into the cooling channel. The ribs 11 are V-shaped, tapering to a point, ie they each have two legs 13 a (on the outflow side) and 13b (on the upstream side), which meet at a tip 12 . The tips 12 of the plurality of ribs 11 are aligned in this case, that is to say the tips come to lie on an essentially radial common line. The legs 13 are angled at an angle α ₁ ( 13 a) or α ₂ ( 13 b) with respect to this line connecting the tips. The angles α ₁ and α ₂ can have different values, and are usually in the range from 30 to 90 degrees, preferably in the range from 45 to 60 degrees, it being possible for these two angles to be different.

Wie aus Fig. 1b) ersichtlich wird, weisen in diesem Fall die Rippen 11 an ihrer höchsten Stelle, welche in diesem Fall im Bereich der Spitze legt, eine Höhe h* auf. Diese Höhe h nimmt aber sukzessive sowohl in Richtung der Anströmkante 4 wie auch in Richtung der Abströmkante 5 ab, wobei das Verhältnis von Höhe der Rippe h zur Gesamthöhe des Kühlluftkanals H jeweils im wesentlichen konstant ist. Um in den Eckbereichen, d. h. an den spitz zulaufenden Enden des Kühlkanals bei Anströmregion 6 und Abströmregion 7, die Beaufschlagung mit Kühlluft zu verbessern, verjüngt sich die Rippe in diesen Randbereichen gänzlich, d. h. sie hört bereits kurz vor Ende des Kühlkanals auf. As can be seen from FIG. 1b), in this case the ribs 11 have a height h * at their highest point, which in this case lies in the area of the tip. However, this height h successively decreases both in the direction of the leading edge 4 and in the direction of the trailing edge 5 , the ratio of the height of the rib h to the total height of the cooling air duct H being essentially constant in each case. In order to improve the exposure to cooling air in the corner areas, ie at the tapered ends of the cooling channel at the inflow region 6 and outflow region 7 , the rib tapers completely in these edge areas, ie it stops shortly before the end of the cooling channel.

Wie bereits eingangs geschildert, ist es auch möglich, die lokale Rippenhöhe h in Bezug auf die lokale Gesamtkanalhöhe H als Funktion der Ortskoordinate auszubilden (h/H = a + b s + c s²). Dabei ist s die lokale Ortskoordinate, a, b und c sind Konstanten. Hierbei ist es vorteilhaft, die Funktion h/H so zu wählen, dass das Verhältnis h/H in Richtung auf die scharfkantigen Ecken des Kühlkanals z. B. proportional abnimmt. Dadurch können die Sekundärströmungen im Kanal beeinflusst werden und der lokale Wärmeübergang wird gezielt geändert. As already described at the beginning, it is also possible to design the local rib height h in relation to the local total channel height H as a function of the location coordinate (h / H = a + bs + cs ² ). Where s is the local coordinate, a, b and c are constants. It is advantageous to choose the function h / H so that the ratio h / H in the direction of the sharp-edged corners of the cooling channel z. B. decreases proportionally. This can influence the secondary flows in the duct and the local heat transfer is specifically changed.

Ein derartiges Turbinenblatt weist zum Beispiel eine radiale Länge von 10 bis 100 Zentimetern auf. Als Material finden typische Materialien für Gasturbinenschaufeln Anwendung. Das im Kühlkanal strömende Kühlmedium ist in der Regel Luft, andere übliche Medien sind auch möglich. Such a turbine blade has a radial length of 10 to 100, for example Centimeters. Typical materials for gas turbine blades are found as material Application. The cooling medium flowing in the cooling channel is usually air, others Common media are also possible.

Fig. 2a) bis c) zeigt in Schnitten, welche dem Schnitt gem. Fig. 1a) entsprechen, wie bei derartigen Schaufeln erfindungsgemäss Rippen 11 mit Unterbrüchen 15 versehen werden können. Fig. 2a) to c) shows in sections which the section acc. Fig. 1a) correspond, as can be provided with interruptions 15, in such blades according to the invention the ribs 11.

Außerdem zeigen die Fig. 2d) bis f), welche dem Schnitt gem. Fig. 1b) entsprechen, wie die Unterbrüche strukturiert werden können. Fig. 2d) zeigt dabei eine Rippe mit zwei Unterbrüchen 15, wie sie z. B. auch bei der obersten, in Fig. 2a) dargestellten Rippe realisiert ist. Fig. 2e) hingegen zeigt eine Rippe mit einem Unterbruch 15, welcher im Bereich der Spitze angeordnet ist. Dieser Schnitt entspricht einer Rippe, wie sie z. B. in Fig. 2b) als oberste Rippe dargestellt ist. Besonders sei auf Fig. 2f) hingewiesen, bei welcher eine Rippe analog Fig. 2d) dargestellt ist, wobei aber die Unterbrüche 15 die Rippe nicht über die volle Tiefe unterbrechen, sondern die Rippe in ihrer Höhe nur etwas reduzieren. In addition, Figs. 2d) to f), which according to the cut. FIG. 1b) correspond to how the interruptions can be patterned. Fig. 2d) shows a rib with two interruptions 15 , as z. B. is also realized in the uppermost rib shown in Fig. 2a). Fig. 2e), however, shows a rib having an interruption 15, which the top is arranged in the region. This cut corresponds to a rib, as z. B. is shown in Fig. 2b) as the top rib. Particular reference is made to FIG. 2f), in which a rib analogous to FIG. 2d) is shown, but the interruptions 15 do not interrupt the rib over the full depth, but rather only slightly reduce the height of the rib.

Die Kombination von V-förmigen Rippen mit variabler Höhe mit Unterbrüchen erlaubt es, die Temperatur-Niveaus sowohl gewissermassen global entlang der Breite des Kühlkanales als auch lokal an den Stellen der Unterbrechungen spezifisch einzustellen. Zum Beispiel erlaubt es die Anordnung eines Unterbruches, gegebenenfalls bei mehreren Rippen in radialer Richtung hintereinander geschaltet, eine lokal höhere Strömung entlang dieses "Kanals". Dadurch ergibt sich entlang dieses Kanals eine erhöhte Turbulenz und damit eine bessere Mischung, was zu einer Verbesserung der Kühlung an diesen Stellen führt. Grundsätzlich können mit anderen Worten durch die variable Einstellung entlang der Breite des Kühlkanales die globalen Strömungsverhältnisse eingestellt werden und damit die Temperaturniveaus und die globale Verteilung. Auf der anderen Seite erlauben die vorgesehenen Unterbrüche lokal an den Stellen der Unterbrüche weitere Wärmeübertragungserhöhungen durch die damit geschaffenen Turbulenzen. The combination of V-shaped ribs with variable height with interruptions allows the temperature levels are both globally along the width of the cooling channel as well as locally at the points of the interruptions. For example allows the arrangement of an interruption, if necessary with several ribs in radial direction in series, a locally higher flow along this "Channel". This results in increased turbulence along this channel and thus one better mixture, which leads to an improvement in cooling in these places. In other words, in principle, the variable setting along the Width of the cooling channel and the global flow conditions can be set the temperature levels and the global distribution. On the other hand, they allow planned interruptions locally at the locations of the interruptions Increases in heat transfer due to the resulting turbulence.

Fig. 2a) zeigt dabei die Möglichkeit, alternierend jeweils eine "lange" Rippe 11 mit jeweils einem Unterbruch in jedem der Schenkel vorzusehen. Dazwischen befinden sich "kurze" Rippen 11, bei welchen der Unterbruch gewissermassen das Ende der Schenkel 13 betrifft, das heisst die dazwischenliegenden Rippen 11 weisen wesentlich verkürzte Schenkel 13 auf. Vorteilhafterweise sind dabei die Unterbrüche 15 der "langen" Rippen derart angeordnet, dass sie in ihrer radialen Flucht von den Schenkeln 13 der "kurzen" Rippen 11 abgedeckt werden, um so eine möglichst gute Zirkulation respektive Turbulenz der Kühlluft 10 im Hohlraum zu gewährleisten. Wie bereits eingangs erwähnt können dabei die Rippen 11 sowohl an der saugseitigen Wand 9 und/oder an der druckseitigen Wand 8 angeordnet sein. Dies z. B. in versetzter Weise, das heisst es ist optional auch möglich, die "langen" Rippen 11 an der einen Wand anzubringen und die "kurzen" Rippen an der anderen Wand. Fig. 2a) shows the possibility of alternately providing a "long" rib 11 with an interruption in each of the legs. In between are "short" ribs 11 , in which the interruption affects the end of the legs 13 to a certain extent, that is to say the ribs 11 lying between them have legs 13 that are significantly shortened. The interruptions 15 of the “long” ribs are advantageously arranged such that their radial alignment is covered by the legs 13 of the “short” ribs 11 in order to ensure the best possible circulation or turbulence of the cooling air 10 in the cavity. As already mentioned at the beginning, the ribs 11 can be arranged both on the suction-side wall 9 and / or on the pressure-side wall 8 . This z. B. in a staggered manner, that is, it is optionally also possible to attach the "long" ribs 11 on one wall and the "short" ribs on the other wall.

Fig. 2b) zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem wiederum "kurze" Rippen vorhanden sind, welche aber diesmal mit "langen" Rippen 11 alternieren, bei welchen der Unterbruch 15 im Bereich der Spitze angeordnet ist. Mit anderen Worten weisen somit hier die "langen" Rippen 11 keine wirkliche Spitze 12 auf, die einzelnen Schenkel 13 sind aber ebenfalls unter einem Winkel aufeinander zulaufend ausgebildet. Fig. 2b) shows another embodiment of the invention, in which, in turn, "short" ribs are present, which alternate with but this time the "long" ribs 11, in which the interruption of the tip is disposed in the area 15. In other words, the "long" ribs 11 do not have an actual tip 12 here , but the individual legs 13 are also designed to converge at an angle.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2c) dargestellt. Dabei weisen die einen Rippen 11 jeweils in jedem Schenkel 13 einen Unterbruch 15 auf, welcher hier symmetrisch in Bezug auf die Spitze ausgeführt ist, dies ist aber nicht zwingend, die Unterbrüche können auch asymmetrisch verteilt sein (dies gilt auch für die anderen Ausführungsbeispiele). Die alternierend zu diesen Rippen angeordneten anderen Rippen weisen über die gesamte Länge drei Unterbrüche 15 auf, nämlich jeweils einen Unterbruch am Ende der Schenkel 13 (also ebenfalls gewissermassen "kurze" Rippen), sowie einen weiteren Unterbruch im Bereich der Spitze, sodass auch hier, wie bereits in Fig. 2b), bei diesen Rippen gewissermassen keine wirkliche Spitze 12 vorhanden ist, sondern einfach die beiden Schenkel 13 aufeinander unter einem bestimmten Winkel zulaufend ausgebildet sind. Another embodiment of the invention is shown in Fig. 2c). The one ribs 11 each have an interruption 15 in each leg 13 , which is symmetrical with respect to the tip here, but this is not mandatory, the interruptions can also be distributed asymmetrically (this also applies to the other exemplary embodiments). The other ribs, arranged alternately with these ribs, have three interruptions 15 over the entire length, namely one interruption at the end of the legs 13 (thus also to a certain extent "short" ribs), and a further interruption in the area of the tip, so that as already shown in FIG. 2b), there is to a certain extent no actual tip 12 in these ribs, but rather the two legs 13 are designed to converge at a certain angle.

Typischerweise sind in den Ausführungsbeispielen gem. Fig. 2 die einzelnen Rippen bei einer Grösse des Turbinenblattes von dem Bereich von 10 bis 100 cm radialer Länge im Heissgasbereich und 3 bis 20 cm axialer Tiefe (Abstand zwischen Anströmkante 4 und Abströmkante 5) um 5 h bis 15 h voneinander beabstandet, das heisst im Kühlkanal befinden sich zwischen Plattform 14 und radialem Schaufelende zwischen 10 bis 40 Rippen 11 pro Wand (saugseitig respektive druckseitig). Die Rippen 11 weisen dabei eine Höhe h auf, welche üblicherweise im Bereich von 5 bis 30 Prozent der Gesamttiefe H des Kühlkanals an der jeweiligen Stelle beträgt. Die Unterbrüche 15 weisen eine Länge im Bereich bis 30% der gesamten Länge auf. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Turbinenblatt
2 Druckseite
3 Saugseite
4 Anströmkante
5 Abströmkante
6 Anströmregion
7 Abströmregion
8 druckseitige Wand
9 saugseitige Wand
10 radialer Kühlluftstrom
11 V-förmige Rippe
12 Spitze von 11
13a, b Schenkel von 11
14 Plattform
15 Unterbruch in 11
h Höhe der Rippe (lokale Höhe)
h* Höhe der Rippe an der Stelle der Spitze
H Höhe des Hohlraums (lokale Höhe)
s Ortskoordinate in der Schaufel entlang der Schnittlinie I-I
Typically, according to the exemplary embodiments. Fig. 2, the individual ribs with a size of the turbine blade from the range of 10 to 100 cm radial length in the hot gas area and 3 to 20 cm axial depth (distance between leading edge 4 and trailing edge 5 ) spaced from each other by 5 h to 15 h, that is In the cooling duct there are between 10 to 40 ribs 11 per wall between the platform 14 and the radial blade end (on the suction side or on the pressure side). The ribs 11 have a height h, which is usually in the range from 5 to 30 percent of the total depth H of the cooling channel at the respective point. The interruptions 15 have a length in the range up to 30% of the total length. REFERENCE SIGN LIST 1 turbine blade
2 printed page
3 suction side
4 leading edge
5 trailing edge
6 inflow region
7 outflow region
8 pressure side wall
9 suction-side wall
10 radial cooling air flow
11 V-shaped rib
12 top of 11
13a, b leg of 11
14 platform
15 break in 11
h rib height (local height)
h * Rib height at the point of the tip
H cavity height (local height)
s Location coordinate in the blade along section line II

Claims

1. Coolable turbine blade ( 1 ) consisting essentially of a blade root and a blade area, which turbine blade ( 1 ) has a pressure-side wall ( 8 ) and a suction-side wall ( 9 ), the two walls ( 8 , 9 ) on the leading edge ( 4 ) are connected to one another via an inflow region ( 6 ) and at the trailing edge ( 5 ) via an outflow region ( 7 ) to form a single, essentially radially extending cavity for cooling air ( 10 ), and at least one rib ( 11 ) in the cavity is arranged, which rib ( 11 ) of at least one wall ( 8 , 9 ) protrudes into the cavity, characterized in that the rib ( 11 ) has an interruption ( 15 ) at at least one point, and that the local, in Height (h) of the rib ( 11 ) along the rib ( 11 ), which is considered substantially perpendicular to the plane of the turbine blade ( 1 ), is variable.

2. Turbine blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the local height (H) of the entire cavity ( 10 ), viewed essentially perpendicular to the plane of the turbine blade ( 1 ), is of variable design, with the cavity ( 10 ) being particularly preferred. quasi double-triangular, tapering towards the leading edge ( 4 ) and towards the trailing edge ( 5 ).

3. Turbine blade ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the variable local height (h) of the rib ( 11 ) is substantially in a predetermined and defined relationship to the local height (H) of the entire cavity ( 10 ), this Ratio is particularly preferably a (polynomial) function of a location coordinate (s) running along the rib ( 11 ).

4. Turbine blade ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the variable local height (h) of the rib ( 11 ) is substantially in a constant ratio (h / H) to the local height (H) of the entire cavity ( 10 ) , this constant ratio (h / H) preferably being in the range from 1: 2 to 1:50, particularly preferably in the range from 1: 3 to 1:10.

5. Turbine blade ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the interruption ( 15 ) has a depth which is at least partially less than the local height (h) of the rib ( 11 ).

6. Turbine blade ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the rib ( 11 ) extends substantially over the entire length of the cavity between the inflow region ( 6 ) and the outflow region ( 7 ).

7. Turbine blade ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rib ( 11 ) is formed tapering to form a tip ( 12 ) and has two legs ( 13 ), the tip ( 12 ) preferably in the flow direction the cooling air ( 10 ) is arranged, and in particular in each case one leg ( 13 ) with an angle (α ₁ , α ₂ ) in the range from 30 to 90 degrees, preferably at an angle, with the axial direction with respect to the axis of the gas turbine in the range of 45 to 60 degrees, the angles (α ₁ , a ₂ ) of the two legs ( 13 ) being different.

8. Turbine blade ( 1 ) according to claim 7, characterized in that at least two ribs ( 11 ) are arranged in the cavity, the tips ( 12 ) being aligned with one another in the radial direction.

9. turbine blade ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the interruption ( 15 ) in the region of the legs ( 13 ) and / or in the region of the tip ( 12 ) is arranged.

10. Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one rib ( 11 ) has a rectangular, square, triangular, rounded or semi-elliptical cross section.

11. Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of a plurality of ribs, the ribs ( 11 ) particularly preferably have a spacing which is in the range from 5 to 20% of the thickness of a rib ( 11 ).

12. Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one interruption ( 15 ) has a length of in the range up to 30 percent with respect to the total length of the rib ( 11 ) between the inflow region ( 6 ) and the outflow region ( 7 ).

13. Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that ribs ( 11 ) protrude both from the suction-side wall ( 9 ) and from the pressure-side wall ( 8 ) into the cavity, the of the different walls ( 8 , 9 ) protruding ribs are preferably arranged offset.

14. Turbine blade ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that it is a guide blade or a moving blade, in particular for a gas turbine or a low-pressure gas turbine.

15. A method for cooling a turbine blade ( 1 ) consisting essentially of a blade root and a blade area, which turbine blade ( 1 ) has a pressure-side wall ( 8 ) and a suction-side wall ( 9 ), the two walls ( 8 , 9 ) the leading edge ( 4 ) is connected to one another via an inflow region ( 6 ) and at the trailing edge ( 5 ) via an outflow region ( 7 ) to form a single, essentially radially extending cavity for cooling air ( 10 ), and at least one rib ( 11 ) is arranged in the cavity, which rib ( 11 ) is designed to protrude into the cavity from at least one wall ( 8 , 9 ), characterized in that the cooling air ( 10 ) is guided in the cooling duct via at least one rib ( 11 ) which is connected to at least one point has an interruption ( 15 ) and that the local height (h) of the rib ( 11 ) along the rib, viewed essentially perpendicular to the plane of the turbine blade ( 1 ) ( 11 ) is variable.

16. The method according to claim 15, characterized in that the turbine blade ( 1 ) is a turbine blade according to one of claims 2 to 14.