DE19944923A1 - Turbine blade for rotor of gas turbine; has blade crown with cap having bars and hollow spaces inside bars connected to cooling channels to supply cooling air to inside of bars - Google Patents
Turbine blade for rotor of gas turbine; has blade crown with cap having bars and hollow spaces inside bars connected to cooling channels to supply cooling air to inside of barsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Turbinenschaufel für den Rotor einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to the field of gas turbines. It affects a turbine blade for the rotor of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
Eine solche Turbinenschaufel ist z. B. aus der Druckschrift EP-A1-0 684 364 be kannt.Such a turbine blade is e.g. B. from the document EP-A1-0 684 364 be knows.
Bei den Turbinenschaufeln für den Rotor einer Gasturbine, d. h., bei den Lauf schaufeln einer Gasturbine, lassen sich Schaufeln mit und ohne Deckband unter scheiden. Bei Laufschaufeln ohne Deckband, auf die sich die vorliegende Erfin dung bezieht, ist der Schaufelspitzenbereich oder die Schaufelkrone aufgrund der exponierten Lage am Spalt zwischen Schaufel und der gegenüberliegenden Wan dung (Wärmestausegment) einer hohen Temperaturbelastung durch das Heissgas ausgesetzt. Als Folge treten Oxidations- und LCF-Probleme (LCF = low cycle fatigue = niederzyklische Ermüdung) auf. Durch die oxidativen Angriffe wird der Spalt zum Wärmestausegment vergrössert, was eine Wirkungsgradverschlechte rung der Turbine zur Folge hat. Weiter können Risse, die durch LCF entstehen, und sehr starke Oxidation den im Inneren der Schaufel angeordneten Kühlkanal freilegen, so dass die Kühlung der gesamten Schaufel zusammenbricht, was ei nen totalen Verlust der Schaufel zur Folge hat.In the turbine blades for the rotor of a gas turbine, i. that is, in the run blades of a gas turbine, blades can be placed with and without a shroud divorce. In the case of moving blades without a shroud, to which the present inventor relates the blade tip area or the blade crown is due to the exposed position at the gap between the shovel and the opposite tub formation (heat accumulation segment) of a high temperature load from the hot gas exposed. As a result, oxidation and LCF problems (LCF = low cycle fatigue = low-cycle fatigue). Due to the oxidative attacks Gap enlarged to the heat accumulation segment, which worsens efficiency tion of the turbine. Cracks caused by LCF can also and very strong oxidation the cooling channel arranged inside the blade expose so that the cooling of the entire blade breaks down, which ei result in total loss of the bucket.
Weiter ist es bei hohen Schaufelkronentemperaturen nur schwer oder gar nicht möglich, ein sogenanntes "Rubbing"-System, bestehend aus einem Schleifmittel ("Abra sive") auf der Krone und einem Abschleifmaterial ("Abradable") auf dem Wär mestausegment zu verwirklichen. Der Grund dafür ist, dass bei zu hohen Kronen temperaturen das Matrixmaterial auf der Krone, in welches die Schleifmittel einge bettet sind, mit den Schleifmitteln reagieren. Das führt zu einer Verschlechterung des Verbunds Matrix-Schleifmittel, was seinerseits zum Herausfallen der Schleif mittel beim Anstreifen führt.Furthermore, it is difficult or not at all at high blade crown temperatures possible a so-called "rubbing" system consisting of an abrasive ("Abra sive ") on the crown and an abradable material on the heat to realize the exhibition segment. The reason for this is that if the crowns are too high temperatures the matrix material on the crown into which the abrasives are incorporated beds, react with the abrasives. This leads to deterioration of the matrix-abrasive compound, which in turn causes the abrasive to fall out medium when brushing.
Ein Grund für die hohen Metalltemperaturen ist anhand der Fig. 1 leicht zu erklä ren. Die in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Schaufelkrone 8 einer Turbinen schaufel 1, die bezüglich der Heissgasströmung eine Saugseite 2 und eine Druck seite 3 aufweist, ist oben durch eine Kappe 5 abgeschlossen, die randseitig von radial nach aussen vorstehenden Schienen ("rails") 6 und 7 umschlossen ist (siehe auch Fig. 7). Die Kühlung der Turbinenschaufel 1 erfolgt von Innen mittels eines Kühlkanals 4, der von Kühlluft durchströmt wird. Die dem Heissgas ausge setzte (äussere) Kronenfläche (gestrichelte Linie in Fig. 1) ist nun gegenüber der mit Kühlluft benetzten (inneren) Kronenfläche (strichpunktierte Linie in Fig. 1) er kennbar wesentlich geringer, so dass die Schaufelkrone 8 schon aus diesem Grunde nicht ausreichend gekühlt werden kann. Ein anderer (möglicher) Grund ist ein zu grosser Spalt für das Heissgas. One reason for the high metal temperatures It is very easy to declare reference to FIG. 1. The blade crown shown in Fig. 1 in longitudinal section 8 of a turbine blade 1, which has with respect to the hot-gas flow side a suction side 2 and a pressure 3, the top by a Cap 5 is closed, which is surrounded on the edge by radially outwardly projecting rails 6 and 7 (see also FIG. 7). The turbine blade 1 is cooled from the inside by means of a cooling duct 4 through which cooling air flows. The hot gas put out (outer) crown surface (dashed line in Fig. 1) is now compared to the wetted with cooling air (inner) crown surface (dash-dotted line in Fig. 1) he recognizable much smaller, so that the blade crown 8 for this reason alone cannot be cooled sufficiently. Another (possible) reason is too large a gap for the hot gas.
Um die Metalltemperaturen zu erniedrigen, wird dann in der Regel auf der Druck seite der Laufschaufel Kühlluft ausgeblasen. Eine weitere Variante wird in EP-A1-0 684 364 beschrieben. Hier wird zusätzlich noch im Kronenbereich in der Nähe der saugseitigen Schiene und an der Hinterkante ausgeblasen. In allen Fällen mischt sich die Kühlluft mit dem Heissgas und senkt die Heissgastemperatur. Da die Temperaturerniedrigung durch Einmischung von kalter Luft nicht sehr effektiv ist, muss sehr viel Kühlluft zugemischt werden. Die entstehenden Mischverluste und der erhöhte Kühlluftverbrauch wirken sich aber nachteilig auf den Wirkungs grad der Turbine aus.In order to lower the metal temperatures, pressure is usually applied side of the rotor blade blown out cooling air. Another variant is in EP-A1-0 684 364. Here is also in the crown area nearby the rail on the suction side and blown out at the rear edge. In all cases the cooling air mixes with the hot gas and lowers the hot gas temperature. There the lowering of the temperature by mixing in cold air is not very effective a lot of cooling air must be added. The resulting mixing losses and the increased cooling air consumption adversely affect the effectiveness degree of the turbine.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Turbinenschaufel zu schaffen, welche die Nachteile bisher bekannter Lösungen vermeidet, und sich insbeson dere durch eine wirksame Kühlung der Schaufelkrone bei gleichzeitig geringem Kühlluftverbrauch auszeichnet.It is therefore an object of the invention to provide a cooled turbine blade which avoids the disadvantages of previously known solutions, and in particular due to an effective cooling of the blade crown at the same time as low Characterized cooling air consumption.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Um die Kronentemperatur zu erniedrigen, werden gemäss der Erfindung in die um laufenden Schienen der Krone zusätzliche, von Kühlluft durchströmte Hohlräume eingebracht. Dadurch verbessert sich das Verhältnis von mit Kühlluft benetzter Kronenfläche zur dem Heissgas ausgesetzter Kronenfläche wesentlich. Durch die zusätzlich entstehende, mit Kühlluft beaufschlagte Fläche kann die Wärme besser abgeführt werden und dadurch die Materialtemperatur der Krone wesentlich redu ziert werden. Die vorzugsweise als umlaufende Kühlschlitze ausgebildeten Hohl räume können durch ein oder mehrere Kühlluftlöcher aus den Kühlkanälen der Schaufel mit Kühlluft gespeist werden. Die Kühlluft strömt durch die umlaufenden Kühlschlitze und wird vorzugsweise im Bereich der Hinterkante der Schaufel aus geblasen. The object is achieved by the entirety of the features of claim 1. Around to lower the crown temperature, according to the invention in the order running rails of the crown additional cavities through which cooling air flows brought in. This improves the ratio of wetted with cooling air Crown area to the hot gas exposed crown area essential. Through the the additional surface that is exposed to cooling air can do the heat better are dissipated and the material temperature of the crown is significantly reduced be decorated. The hollow, which is preferably designed as a circumferential cooling slot rooms can pass through one or more cooling air holes from the cooling channels of the Shovel can be fed with cooling air. The cooling air flows through the rotating Cooling slots and is preferably made in the area of the rear edge of the blade blown.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Turbinenschaufel nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Turbinenschaufel unterhalb der Kappe wenigstens ein mit Kühlluft beaufschlagter Kühlkanal vorgesehen ist, dass die Hohlräume in den Schienen zur Versorgung mit Kühlluft mit dem wenigstens einen Kühlkanal in Verbindung stehen, dass zur Verbindung der Hohlräume mit dem wenigstens einen Kühlkanal über die Schaufelkrone verteilt eine Mehrzahl von Kühlbohrungen vorgesehen sind. Hierdurch kann auf einfache Weise die Ver sorgung der Hohlräume sichergestellt werden. Besonders einfach lassen sich die Kühlluftbohrungen verwirklichen, wenn gemäss einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform die Kühlbohrungen als von dem wenigstens einen Kühl kanal durch die Hohlräume nach aussen durchlaufende Durchgangsbohrungen ausgebildet sind, welche nach aussen hin jeweils durch einen Verschluss ver schlossen sind. Anstelle der Kühlluftbohrungen ist es aber auch denkbar, dass zur Verbindung der Hohlräume mit dem wenigstens einen Kühlkanal die Hohlräume an vorbestimmten Stellen direkt in den wenigstens einen Kühlkanal übergehen.A first preferred embodiment of the turbine blade according to the invention is characterized in that inside the turbine blade below the Cap at least one cooling channel acted upon with cooling air is provided that the cavities in the rails for supplying cooling air with the least a cooling channel are connected to connect the cavities with a plurality distributed over the at least one cooling channel over the blade crown of cooling holes are provided. This allows the Ver care of the cavities can be ensured. They are particularly easy Realize cooling air holes if according to a preferred training this embodiment, the cooling holes as of the at least one cooling channel through the cavities to the outside through holes are formed, which ver outwards by a closure are closed. Instead of the cooling air holes, it is also conceivable that for Connection of the cavities to the at least one cooling channel, the cavities pass directly into the at least one cooling channel at predetermined points.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinen schaufel zeichnet sich dadurch aus, dass zur Abfuhr der Kühlluft aus den Hohl räumen an vorgegebenen Stellen der Schaufelkrone von den Hohlräumen in den Aussenraum führende Ausblasöffnungen vorgesehen sind.A second preferred embodiment of the turbines according to the invention The blade is characterized by the fact that the cooling air is removed from the hollow clear the cavities from the cavities at predetermined points in the blade crown Blow-out openings leading outside are provided.
Diese Ausblasöffnungen können entweder seitlich angeordnet sein, und zwar ent weder auf der Druckseite der Turbinenschaufel, oder auf der Saugseite der Turbi nenschaufel, oder an deren Hinterkante. Es könne aber auch radial nach aussen gehende Ausblasöffnungen vorgesehen sein.These discharge openings can either be arranged laterally, namely ent neither on the pressure side of the turbine blade, nor on the suction side of the turbine blade or at the rear edge. But it could also go radially outwards outgoing exhaust openings may be provided.
Besonders wirkungsvoll ist die Kronenkühlung, wenn gemäss einer anderen Aus führungsform der Erfindung die Hohlräume als um die Schaufelkrone umlaufende Kühlschlitze ausgebildet sind. Es kann dabei ein einziger durchgehender Kühl schlitz vorgesehen sein. Es können aber auch mehrere separate Kühlschlitze in Umfangsrichtung der Schaufelkrone hintereinander angeordnet sein und durch separate Ausblasöffnungen mit dem Aussenraum in Verbindung stehen. The crown cooling is particularly effective, if according to another way leadership form of the invention, the cavities as circumferential around the blade crown Cooling slots are formed. There can be a single continuous cooling slot be provided. But there can also be several separate cooling slots in The circumferential direction of the blade crown can be arranged one behind the other and through separate discharge openings are connected to the outside space.
Eine lokalisierte Kühlung an besonders kritischen Stellen der Schaufelkrone lässt sich erreichen, wenn gemäss einer anderen Ausführungsform die Hohlräume als einzelne, untereinander durch Verbindungskanäle verbundene Taschen ausgebil det sind.Localized cooling at particularly critical points on the blade crown leaves can be achieved if, according to another embodiment, the cavities as individual pockets connected to one another by connecting channels det.
Die Kühlwirkung der durch die Hohlräume strömenden Kühlluft lässt sich weiter erhöhen, wenn gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung in den Hohlräumen bzw. Kühlschlitzen bzw. Taschen Mittel zur Verbesse rung des Wärmeübergangs zwischen Kühlluft und Schienen vorgesehen sind. Diese Mittel können insbesondere in den Hohlräumen bzw. Kühlschlitzen bzw. Taschen angeordnete Turbulatoren oder Pins umfassen, welche die Turbulenz in der Kühlluftströmung erhöhen. Denkbar sind in diesem Zusammenhang auch in den Hohlräumen bzw. Kühlschlitzen bzw. Taschen angeordnete Stäbe oder Rip pen. Es ist aber auch denkbar, dass die Mittel Änderungen des Strömungsquer schnitts, insbesondere in Form einer Abfolge von Verengungen und Erweiterun gen, in den Hohlräumen bzw. Kühlschlitzen bzw. Taschen umfassen.The cooling effect of the cooling air flowing through the cavities can be continued increase if according to another preferred embodiment of the inven in the cavities or cooling slots or pockets means for improvement tion of the heat transfer between cooling air and rails are provided. These agents can in particular in the cavities or cooling slots or Pocketed turbulators or pins that contain the turbulence in increase the cooling air flow. In this context, the following are also conceivable rods or rip arranged in the cavities or cooling slots or pockets pen. But it is also conceivable that the means changes in the flow cross cut, especially in the form of a sequence of narrowing and expansion gene, in the cavities or cooling slots or pockets.
Die Hohlräume in der Schaufelkrone sind vorzugsweise vollständig durch Giessen gebildet. Alternativ dazu können aber zur Vereinfachung der Herstellung die Hohl räume als Ausnehmungen in der Schaufelkrone ausgebildet sein, welche durch ein Deckblech, einen Aufsatz oder einen Verschluss verschlossen werden.The cavities in the blade crown are preferably completely cast educated. Alternatively, however, the hollow can be used to simplify production spaces are formed as recesses in the blade crown, which through a cover plate, an attachment or a closure can be closed.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments result from the dependent claims.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.In the following, the invention is to be described using exemplary embodiments together Menhang be explained in more detail with the drawing.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 im Längsschnitt eine Schaufelkrone nach dem Stand der Technik ohne spezielle Kühlmassnahmen für die Schaufelkrone; FIG. 1 shows in longitudinal section a blade crown of the prior art without any special cooling measures for the blade crown;
Fig. 2 in einer zu Fig. 1 äquivalenten Darstellung ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Turbinenschaufel mit gezielt gekühl ter Krone nach der Erfindung; Fig. 2 in a representation equivalent to Figure 1, a first preferred embodiment of a turbine blade with targeted cooling ter crown according to the invention.
Fig. 3 in einer perspektivischen Seitenansicht mit längs geschnittener Krone eine Schaufelkrone mit einer Kühlung gemäss Fig. 2, wobei die Kühlluft der Krone auf der Druckseite der Schaufel ausgebla sen wird; Fig. 3 is a perspective side view with a longitudinally cut crown of a blade crown with cooling according to Figure 2, wherein the cooling air of the crown is blown sen on the pressure side of the blade.
Fig. 4 eine zu Fig. 3 vergleichbare Lösung nach der Erfindung, wobei die Kühlluft an der Hinterkante der Schaufel ausgeblasen wird; FIG. 4 shows a solution according to the invention that is comparable to FIG. 3, the cooling air being blown out at the rear edge of the blade;
Fig. 5 eine zu Fig. 3 vergleichbare Lösung nach der Erfindung, wobei die Kühlluft auf der Saugseite der Schaufel ausgeblasen wird, und der Innenbereich der Krone über einen Verbindungskanal mit dem Kühlschlitz der Krone in Verbindung steht; FIG. 5 shows a solution according to the invention that is comparable to FIG. 3, the cooling air being blown out on the suction side of the blade and the inner region of the crown being connected to the cooling slot of the crown via a connecting channel;
Fig. 6 eine zu Fig. 3 vergleichbare Lösung nach der Erfindung, wobei mehrere hintereinander angeordnete Kühlschlitze mit separaten Ausblasöffnungen vorgesehen sind; FIG. 6 shows a solution according to the invention comparable to FIG. 3, wherein a plurality of cooling slots arranged one behind the other with separate blow-out openings are provided;
Fig. 7 eine Schaufelkrone nach der Erfindung in ungeschnittener per spektivischer Seitenansicht, wobei auf der Oberseite radial nach aussen gehende Ausblasöffnungen für die Kühlluft vorgesehen sind; Fig. 7 is a blade crown according to the invention are in uncut by spectral TiVi shear side view, being provided on the upper surface radially outwardly reaching exhaust openings for the cooling air;
Fig. 8 eine zu Fig. 2 vergleichbare Krone mit zusätzlicher seitlicher Aus blasung von Kühlluft nach aussen auf der Heissgasseite der Schaufel; FIG. 8 a crown comparable to FIG. 2 with additional lateral blow-out of cooling air to the outside on the hot gas side of the blade;
Fig. 9 eine zu Fig. 8 vergleichbare seitliche Ausblasung in den Innen raum der Krone; Fig. 9 is a comparable to Figure 8 side blowout into the interior of the crown;
Fig. 10 in einer zu Fig. 2 vergleichbaren Darstellung gekühlte Kronen nach der Erfindung mit unterschiedlicher Aussenkontur (Teilfigu ren A und B) sowie zusätzlichen Mitteln in den Kühlschlitzen zur Verbesserung der Kühlung (Teilfiguren C und D); Fig. 10 in a representation comparable to Figure 2 cooled crowns according to the invention with different outer contour (Teilfigu ren A and B) and additional means in the cooling slots to improve cooling (sub-figures C and D);
Fig. 11 verschiedene, vom Rechteck abweichende Formen des Quer schnittsprofils der Kühlschlitze bzw. Hohlräume bei einer Kronen kühlung nach der Erfindung; Fig. 11 different, differing from the rectangle shapes of the cross-sectional profile of the cooling slots or cavities in a crown cooling according to the invention;
Fig. 12 in der Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kühlungs-Hohlräumen in Form von untereinander verbundenen Taschen;12 shows in side view an embodiment of the invention with cooling cavities in the form of interconnected bags.
Fig. 13 das Beispiel der Fig. 12 in der Draufsicht von oben; Fig. 13 shows the example of Figure 12 in plan view from above.
Fig. 14 in verschiedenen Teilfiguren A-D verschiedene Massnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangs in den Kühlschlitzen einer erfindungsgemäss gekühlten Schaufelkrone; Fig. 14 is different in various subfigures AD measures to improve the heat transfer into the cooling slots of a blade according to the invention the cooled crown;
Fig. 15 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem durch geeignete Formgebung eine direkte Verbindung zwischen den Kühlschlitzen und dem Kühlkanal erzeugt wird, im Querschnitt (Teilfigur A) und im Längsschnitt (Teilfigur B); Fig. 15 is another embodiment of the invention, in which a direct connection between the cooling slots and the cooling duct is produced by suitable shaping, in cross-section (partial figure A) and in longitudinal section (figure part B);
Fig. 16 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Kühlschlitze durch Aufschweissen, Löten oder anderweitiges Aufbringen von Deckblechen auf die Krone erzeugt werden; FIG. 16 is an embodiment of the invention, wherein the cooling slots by welding, soldering, or otherwise applying generated by cover plates to the crown;
Fig. 17 ein zu Fig. 16 vergleichbares Ausführungsbeispiel, bei dem ein Deckblech eingesetzt ist, und FIG. 17 shows an exemplary embodiment comparable to FIG. 16, in which a cover plate is inserted, and
Fig. 18-21 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen die Kühl schlitze in der Krone unter Verwendung von Deckblechen, Aufsät zen oder Verschlüssen realisiert werden. Fig. 18-21 further embodiments of the invention, in which the cooling slots in the crown using cover plates, Aufsät zen or closures are realized.
Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 2 und 3 wiedergegeben. Um die Kronentemperatur zu erniedrigen, werden in die umlau fenden Schienen ("rails") 6 und 7 der Schaufelkrone 8 zusätzliche Kühlschlitze 9 eingebracht. Wie an Fig. 2 leicht zu erkennen ist, verbessert sich das Verhältnis von der mit Kühlluft benetzter Kronenfläche zu der dem Heissgas ausgesetzten Kronenfläche wesentlich, weil zu den benetzten Flächen die Innenwände der Kühlschlitze 9 hinzukommen. Durch die zusätzlich entstehende Kühlluftfläche kann die Wärme besser abgeführt werden und dadurch die Materialtemperatur der Krone wesentlich reduziert werden. Die umlaufenden Kühlschlitze 9 werden durch eine oder mehrere Kühlluftbohrungen 10 aus den Kühlkanälen 4 der Turbinen schaufel 1 gespeist. Die Kühlluftbohrungen 10 sind in diesem Beispiel der einfa chen Herstellbarkeit wegen als von dem Kühlkanal 4 durch die Kühlschlitze 9 nach aussen durchlaufende Durchgangsbohrungen ausgebildet, welche nach aussen hin jeweils durch einen Verschluss (11) verschlossen sind. Die Kühlluft strömt durch den umlaufenden Kühlschlitz 9 und wird vorzugsweise im Bereich der Hin terkante der Turbinenschaufel 1 durch eine geeignete Ausblasöffnung (14 in Fig. 3) ausgeblasen.A first preferred embodiment of the invention is shown in FIGS. 2 and 3. In order to lower the crown temperature, 8 additional cooling slots 9 are introduced into the circumferential rails ("rails") 6 and 7 of the blade crown. As can be easily seen from FIG. 2, the ratio of the crown surface wetted with cooling air to the crown surface exposed to the hot gas improves significantly because the inner walls of the cooling slots 9 are added to the wetted surfaces. Due to the additional cooling air surface, the heat can be dissipated better and the material temperature of the crown can be significantly reduced. The circumferential cooling slots 9 are fed through one or more cooling air holes 10 from the cooling channels 4 of the turbine blade 1 . The cooling air bores 10 are formed in this example for the sake of producibility because of the passage from the cooling channel 4 through the cooling slots 9 to the outside through bores, which are each closed to the outside by a closure ( 11 ). The cooling air flows through the circumferential cooling slot 9 and is preferably blown out in the region of the rear edge of the turbine blade 1 through a suitable blow-out opening ( 14 in FIG. 3).
In Fig. 3 ist die Hinterkantenausblasung auf der Druckseite 3 der Turbinenschaufel 1 realisiert. Die Hinterkantenausblasung kann aber auch direkt durch eine in der Hinterkante 16 angeordnete Ausblasöffnung 15 erfolgen (Fig. 4), oder durch eine Ausblasöffnung 17 auf der Saugseite 2 der Schaufel (Fig. 5). Wenn es von Vorteil ist, dann kann - wie in Fig. 6 dargestellt - die Kühlluft durch hintereinander ange ordnete separate Kühlschlitze 9, 9' und 9" geführt und durch mehrere Ausblasöff nungen 14, 19 und 20 an einer oder mehreren anderen Stellen der Krone ausge blasen werden. Dies kann - wie in Fig. 6 gezeigt - zur Heissgasseite (nach aus sen) hin oder, wenn dies von Vorteil ist, auch in die Krone selbst (nach innen) ge schehen. Es werden dann pro separatem Kühlschlitz bzw. Kühlschlitzsegment 9, 9', 9" ein oder mehrere Kühlluftbohrungen 10 zur Kühlluftzuführung benötigt.In Fig. 3, the Hinterkantenausblasung is realized on the pressure side 3 of the turbine blade 1. The trailing edge blow-out can also take place directly through a blow-out opening 15 arranged in the rear edge 16 ( FIG. 4), or through a blow-out opening 17 on the suction side 2 of the blade ( FIG. 5). If it is advantageous, then - as shown in Fig. 6 - the cooling air through successively arranged separate cooling slots 9 , 9 'and 9 "and through several Ausblasöff openings 14 , 19 and 20 at one or more other locations of the crown This can be done - as shown in Fig. 6 - towards the hot gas side (outwards) or, if this is advantageous, into the crown itself (inwards). For each separate cooling slot or Cooling slot segment 9 , 9 ', 9 "requires one or more cooling air holes 10 for supplying cooling air.
Es ist hier allerdings auch möglich, dass die Luft in einem definierten Querschnitt, der starken Überhitzungen ausgesetzt ist, ausgeblasen wird. Das hilft dann, den effektiven Durchströmquerschnitt über die Krone zu verkleinern. Damit ist es mög lich, die Schaufelkrone 8 lokal zu kühlen. Fig. 7 im Zusammenhang mit Fig. 2 zeigt ein solches Beispiel. In Fig. 7 (Fig. 2) ist die lokale Ausblasung radial nach aus sen, d. h., senkrecht zur Deckfläche der Krone, mittels entsprechender Ausblasöff nungen 12, 13 dargestellt. Eine seitliche Ausblasung zeigen die Fig. 8 und 9. In Fig. 8 wird Kühlluft aus dem Kühlkanal 4 durch schräg nach oben verlaufende Ausblasöffnungen 21 auf der Heissgasseite radial nach aussen ausgeblasen. In Fig. 9 wird Kühlluft über Kühlluftbohrungen 23, den Kühlschlitz 9 und Ausblasöff nungen 22 in den Innenraum der Krone ausgeblasen.However, it is also possible here that the air is blown out in a defined cross section, which is exposed to severe overheating. This then helps to reduce the effective flow cross-section over the crown. This makes it possible to locally cool the blade crown 8 . FIG. 7 in connection with FIG. 2 shows such an example. In Fig. 7 ( Fig. 2) the local blowout is shown radially outwards sen, ie, perpendicular to the top surface of the crown, by means of corresponding blowout openings 12 , 13 . FIGS. 8 and 9 show a lateral blow-out . In FIG. 8, cooling air is blown radially outward from the cooling channel 4 through blow-out openings 21 running obliquely upwards on the hot gas side. In Fig. 9 cooling air is blown through cooling air holes 23 , the cooling slot 9 and Ausblasöff openings 22 in the interior of the crown.
Der Kühlschlitz 9 braucht nicht auf beiden Seiten (in beiden Schienen 6, 7) vorge sehen zu sein. Es ist auch möglich, dass er nur auf einer Seite oder nur an einer oder mehreren bestimmten Stellen der Krone vorhanden ist (je nach den Erforder nissen der Konstruktion). Je nachdem, was für die Konstruktion den grösseren Vorteil bietet, kann man den Innenraum der Krone mit der Hinterkante durch einen Verbindungskanal 18 verbinden (siehe Fig. 5 und 6) oder ohne Verbindung aus führen (siehe Fig. 3 und 4).The cooling slot 9 need not be seen on both sides (in both rails 6 , 7 ). It is also possible that it is only present on one side or only at one or more specific locations on the crown (depending on the requirements of the construction). Depending on what offers the greater advantage for the construction, the interior of the crown can be connected to the rear edge by a connecting channel 18 (see FIGS. 5 and 6) or without connection (see FIGS. 3 and 4).
Fig. 10A-D und Fig. 11A-C zeigen weitere mögliche Varianten der Schienengeo metrie im Querschnitt. Der Querschnitt muss nicht rechteckig sein, sondern kann sowohl innen beliebige Form aufweisen (siehe z. B. Fig. 11A-C), als auch aussen an den Randkonturen 24, 25 (Fig. 10A, B), je nach den Erfordernissen der Kon struktion. Fig. 10A-D and Fig. 11A-C show further possible variants of the rail geometry in cross section. The cross section does not have to be rectangular, but can have any shape on the inside (see, for example, FIGS. 11A-C), and on the outside on the edge contours 24 , 25 ( FIGS. 10A, B), depending on the requirements of the con structure.
Der Kühlschlitz 9 kann weiterhin mit strömungstechnischen Mitteln versehen wer den, die es möglich machen, den Wärmeübergang lokal nach den Erfordernissen der Konstruktion einzustellen. Mögliche Beispiele dafür sind im Kühlschlitz ange ordnete Turbulatoren 26 (Fig. 10C) oder Stäbe 27 (Fig. 10D). Ein anderes Beispiel sind die Querschnittsverläufe eines Kühlschlitzes 9 (Schnitt in Längsrichtung der Schienen) in Fig. 14A-D.The cooling slot 9 can also be provided with fluidic means who make it possible to adjust the heat transfer locally according to the requirements of the construction. Possible examples of this are turbulators 26 ( FIG. 10C) or rods 27 ( FIG. 10D) arranged in the cooling slot. Another example are the cross-sectional profiles of a cooling slot 9 (section in the longitudinal direction of the rails) in FIGS. 14A-D.
Der umlaufende Kühlschlitz 9 oder die Kühlschlitzsegmente 9, 9', 9" können be reits während des Gusses mit in die Turbinenschaufel eingearbeitet werden. Sie können dabei oben geschlossen oder offen sein. Für den Fall, dass sie oben offen sind, sind sie durch Schweissen, Weitspaltlöten oder ein anderes geeignetes Verfahren zu schliessen. In Abb. 17 ist eine Verschlussvariante mit eingelötetem oder eingeschweisstem Deckblech 39 dargestellt. Die Kühlluftbohrungen bzw. -löcher zur Kühlluftzuführung in den Kühlschlitz 9 oder die Kühlschlitzsegmente 9, 9', 9" können eingegossen sein oder nachträglich gebohrt werden. Bohren mit La ser, EDM, Wasserstrahl oder eine beliebige sonstige Methode sind denkbar. Für den Fall der Bohrung (10) kann es notwendig sein, das Loch oder die Löcher von der Heissgasseite her zu verschliessen (siehe Verschluss 11 in Fig. 2 und 3), um genügend Kühlluft im Schlitz zu behalten und nicht zu viel an die Oberfläche zu verlieren.The circumferential cooling slot 9 or the cooling slot segments 9 , 9 ', 9 "can already be incorporated into the turbine blade during casting. They can be closed or open at the top. In the event that they are open at the top, they are welded be to close wide-gap brazing or other suitable method. in Fig. 17 a closure variant with soldered or welded-in cover plate 39 is shown. the cooling air holes or holes for cooling air supply in the cooling slot 9 or the cooling slot segments 9, 9 ', 9 "can be poured or subsequently drilled. Drilling with laser, EDM, water jet or any other method are conceivable. In the case of the bore ( 10 ), it may be necessary to close the hole or the holes from the hot gas side (see closure 11 in FIGS. 2 and 3) in order to keep enough cooling air in the slot and not too much to the surface to lose.
Der umlaufende Kühlschlitz 9 oder die Kühlschlitzsegmente 9, 9', 9" können aber auch nachträglich eingearbeitet werden. Bearbeitung mit Laser, EDM, Wasser strahl oder eine beliebige sonstige Methode sind denkbar. Der offene Kühlschlitz 9 oder die offenen Kühlschlitzsegmente 9, 9', 9" sind dann durch Schweissen, Weit spaltlöten oder ein anderes geeignetes Verfahren zu verschliessen. Die Kühlluft bohrungen 10 zur Kühlluftzuführung in den Kühlschlitz 9 oder die Kühlschlitzseg mente 9, 9', 9" können nachträglich gebohrt werden oder bereits eingegossen sein. Bohren mit Laser, EDM, Wasserstrahl oder eine beliebige sonstige Methode sind denkbar. Sowohl für die gebohrten als auch für die eingegossenen Kühlluft bohrungen bzw. -löcher kann es notwendig sein, dass das oder die Löcher von der Heissgasseite zu verschliessen (siehe Abb. 3 und 4) sind, um genügend Kühlluft im Schlitz zu behalten und nicht zu viel an die Oberfläche zu verlieren.However, the circumferential cooling slot 9 or the cooling slot segments 9 , 9 ', 9 "can also be worked in later. Processing with laser, EDM, water jet or any other method are conceivable. The open cooling slot 9 or the open cooling slot segments 9 , 9 ', 9 "must then be closed by welding, wide-gap soldering or another suitable method. The cooling air bores 10 for supplying cooling air into the cooling slot 9 or the cooling slot segments 9 , 9 ', 9 "can be drilled subsequently or already cast in. Drilling with laser, EDM, water jet or any other method are conceivable. Both for the drilled and For the cast-in cooling air holes or holes, it may also be necessary to close the hole or holes from the hot gas side (see Fig. 3 and 4) in order to keep enough cooling air in the slot and not too much to the surface to lose.
Fig. 12 und 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind in den Kronenbereich (die Schienen 6, 7) kleine Taschen 28 eingegossen (oder auch anders hergestellt), die im gezeigten Beispiel untereinander durch Ver bindungskanäle 30 verbunden sind. Damit wird es möglich, den Kronenbereich sehr effizient zu kühlen, und zwar genau dort, wo die lokalen Temperaturen zu hoch sind. Die Zufuhr der Kühlluft zu den Taschen 28 erfolgt dabei durch Kühlluft bohrungen 29, die Abfuhr durch Ausblasen über Ausblasöffnungen 31. Es können beliebig viele Taschen 28 miteinander in Verbindung stehen. Die Taschen 28 müssen aber - wie in Fig. 12 und 13 angedeutet - nicht notwendigerweise mitein ander in Verbindung stehen. Die Ausblasöffnungen 31 können auch ausgeführt sein, wie die Ausblasöffnungen 14, 15, 17, 19 und 20 in den Fig. 3 bis 6. FIGS. 12 and 13 show a further embodiment of the invention. Here are in the crown area (the rails 6 , 7 ) small pockets 28 poured (or made differently), which are connected to each other by Ver connection channels 30 in the example shown. This makes it possible to cool the crown area very efficiently, precisely where the local temperatures are too high. The supply of the cooling air to the pockets 28 takes place through cooling air bores 29 , the removal by blowing out through blowout openings 31st Any number of pockets 28 can be connected to one another. The pockets 28 - as indicated in FIGS . 12 and 13 - do not necessarily have to be connected to one another. The blow-out openings 31 can also be designed like the blow-out openings 14 , 15 , 17 , 19 and 20 in FIGS. 3 to 6.
Abb. 14A-D zeigen - wie bereits erwähnt - verschiedene variable Verläufe des Kühlschlitzquerschnitts im Längsschnitt parallel zur Umlaufrichtung der Schienen. Durch entsprechende Anordnung von Verengungen 32 und Erweiterungen 33 (Fig. 14A) oder von Rippen 34, 35 (Fig. 14B, D) kann die Kühlwirkung gezielt be einflusst werden. Dasselbe gilt für einen mäanderförmigen Verlauf des Kühlschlit zes gemäss Fig. 14C. Fig. 14A-D show - as already mentioned - various variable profiles of the cooling slot cross section in a longitudinal section parallel to the direction of rotation of the rails. The cooling effect can be influenced in a targeted manner by appropriate arrangement of constrictions 32 and extensions 33 ( FIG. 14A) or of ribs 34 , 35 ( FIG. 14B, D). The same applies to a meandering course of the cooling slot according to FIG. 14C.
Abb. 15 zeigt eine Variante, bei der an verschiedenen Stellen entlang des Um fangs der Kühlschlitz tiefer reicht bzw. eine Vertiefung 36 aufweist (Herstellung durch Giessen, Erodieren oder ein beliebiges anderes Fertigungsverfahren), um eine Kühlluftzufuhr vom Kühlkanal 4 in den oder die Kühlschlitze 9 bzw. 9, 9' und 9" zu verwirklichen. Die Fertigung wird dadurch weniger aufwendig, da es keine Löcher bzw. Bohrungen an der Heissgasseite gibt, die wieder verschlossen wer den müssen. Fig. 15 shows a variant in which at various points along the circumference the cooling slot extends deeper or has a recess 36 (production by casting, eroding or any other manufacturing method) in order to supply cooling air from the cooling channel 4 into the cooling slot or slots 9 or 9 , 9 'and 9 "to realize. The production is less expensive, since there are no holes or bores on the hot gas side, which must be closed again.
Fig. 16 zeigt eine Variante mit einem gebauten Kühlschlitz 9 in der Schaufelkrone 8. Der Kühlschlitz 9 wird dabei aus der gegossenen Schaufelkrone 8 und einem eingebauten Deckblech 37 in geeigneter Form gebildet. Das Deckblech 37 wird durch Schweissen, Löten oder ein anderes geeignetes Verfahren befestigt. Die Zufuhr der Kühlluft erfolgt über Kühlluftbohrungen 38 aus dem Kühlkanal 4. Fig. 16 shows a variant with a built cooling slot 9 in the blade crown. 8 The cooling slot 9 is formed from the cast blade crown 8 and a built-in cover plate 37 in a suitable shape. The cover plate 37 is attached by welding, soldering or another suitable method. The cooling air is supplied via cooling air bores 38 from the cooling duct 4 .
Fig. 18 bis 21 zeigen weitere Varianten gebauter Kühlschlitze 9. In Fig. 18 ist der erodierte, gebohrte, gegossene oder durch ein anderes geeignetes Verfahren er zeugte offene Kanal durch einen aufgelöteten, aufgeschweissten oder in einer sonstigen, geeigneten Verbindungstechnik angebrachten Aufsatz 40 verschlos sen. Fig. 20 und 21 zeigen Formen des Aufsatzes 43 bzw. 44 mit vergrösserter Kontaktfläche, die für bestimmte Verbindungstechniken von Vorteil sein können. Um solche durch Fliehkraft und Rubbing belasteten Nähte zu vermeiden, kann gemäss Fig. 19 auch seitlich erodiert und durch Verschlüsse 41 verschlossen werden. Seitlich eingebrachte Verschlüsse 41 können mit Pins 42, Rippen oder anderen Turbulatoren versehen werden. Diese Turbulatoren können dann als Ab standshalter beim Fügen der Bauteile und zur Erhöhung der Kühleffektivität dienen. Seitliche Fertigungslösungen können von der Heissgas- oder Kroneninnenseite hergestellt werden. Fig. 18 to 21 show further variants built cooling slots 9. In Fig. 18, the eroded, drilled, cast or by another suitable method he created open channel by a soldered, welded or attached in another suitable connection technique attachment 40 is closed. FIGS. 20 and 21 show forms of the cap 43 or 44 with an enlarged contact area, which may be for certain bonding techniques advantageous. In order to prevent such by centrifugal force and rubbing loaded seams, according to Fig. 19 also eroded laterally and are closed by closures 41st Closures 41 introduced laterally can be provided with pins 42 , ribs or other turbulators. These turbulators can then serve as spacers when joining the components and to increase the cooling effectiveness. Lateral manufacturing solutions can be made from the hot gas or crown inside.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine gekühlte Laufschaufel, die sich durch eine sparsame und hocheffektive Kühlung im Bereich der Schaufelkrone aus zeichnet, und sich flexibel an unterschiedliche Fertigungsmethoden und Einsatz umgebungen anpassen lässt.Overall, the invention results in a cooled rotor blade which is characterized by economical and highly effective cooling in the area of the blade crown draws, and flexible to different manufacturing methods and use lets you customize your surroundings.
11
Turbinenschaufel
Turbine blade
22nd
Saugseite
Suction side
33rd
Druckseite
Printed page
44th
Kühlkanal
Cooling channel
55
Kappe
cap
66
, ,
77
Schiene
rail
88th
Schaufelkrone
Bucket crown
99
, ,
99
', ',
99
" Kühlschlitz
"Cooling slot
1010th
Kühlluftbohrung
Cooling air hole
1111
Verschluss
Clasp
1212th
, ,
1313
Ausblasöffnung
Discharge opening
1414
, ,
1515
, ,
1717th
Ausblasöffnung
Discharge opening
1616
Hinterkante
Trailing edge
1818th
Verbindungskanal
Connecting channel
1919th
, ,
2020th
Ausblasöffnung
Discharge opening
2121
, ,
2222
Ausblasöffnung
Discharge opening
2323
Kühlluftbohrung
Cooling air hole
2424th
, ,
2525th
Randkontur
Edge contour
2626
Turbulator
Turbulator
2727
Stab
Rod
2828
Tasche
bag
2929
Kühlluftbohrung
Cooling air hole
3030th
Verbindungskanal
Connecting channel
3131
Ausblasöffnung
Discharge opening
3232
Verengung
Narrowing
3333
Erweiterung
extension
3434
, ,
3535
Rippe
rib
3636
Vertiefung
deepening
3737
Deckblech
Cover plate
3838
Kühlluftbohrung
Cooling air hole
3939
Deckblech
Cover plate
4040
, ,
4343
, ,
4444
Aufsatz
Essay
4141
Verschluss
Clasp
4242
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Pin code
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