DE3306894A1 - Turbine stator or rotor blade with cooling channel - Google Patents

Turbine stator or rotor blade with cooling channel

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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/00—Function
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    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence

Abstract

A turbine blade with at least one cooling channel for the passage of a coolant comprises a flat, thermally conductive and, in general, thin-walled helical or planar insert which is arranged with a snug fit in the cooling channel by brazing. An increased heat transfer surface is thereby created with the aid of simple means.

Description

Turbinenleit- oder Laufschaufel mit Kühlkanal Turbine guide or rotor blade with cooling channel

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit zumindest einem Kühlkanal für den Durchsatz eines Kühlmediums (z.B. Luft oder Wasser).The invention relates to a turbine blade with at least one cooling channel for the throughput of a cooling medium (e.g. air or water).

Turbinenschaufeln von Triebwerken sind im Betrieb extremen Temperaturbelastungen ausgesetzt und weisen bekannterweise Kühlkanäle zum Kühlen der Schaufel im Betrieb auf.Turbine blades of jet engines are exposed to extreme temperature loads during operation exposed and are known to have cooling channels for cooling the blade during operation on.

Die Kühlkanäle erstrecken sich im wesentlichen radial durch die Turbinenschaufel von der Turbinenschaufelbasis bis zur Turbinenschaufelspitze als durchgehende geradlinige Öffnung. Die Kühlluft tritt an der Turbinenschaufelbasis durch eine geeignete Zuleitung in den Kühlkanal ein und gelangt von dort radial nach außen zur Spitze der Turbinenschaufel. Es hat sich gezeigt, daß in vielen Fällen das durchgehende Kühlmedium keine ausreichende Absenkung der Bauteiltemperatur herbeiführt, weil die Wärmeübertragungsmöglichkeiten einfacher Kühlkanäle begrenzt sind.The cooling channels extend essentially radially through the turbine blade from the turbine blade base to the turbine blade tip as a continuous straight line Opening. The cooling air enters the turbine blade base through a suitable supply line into the cooling duct and from there it reaches the tip of the turbine blade radially outwards. It has been shown that in many cases the continuous cooling medium is insufficient Lowering the component temperature brings about, because the heat transfer possibilities simple cooling channels are limited.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, bei der mit Hilfe einfacher baulicher Mittel das durch die Kühlkanäle der Turbinen schaufel geleitete Kühlmedium wirkungsvoll zum Kühlen der Schaufel im Betrieb eingesetzt wird, ohne daß nennenswerte Nachteile hinsichtlich der Stabilität der Schaufel und des dynamischen Laufverhaltens in Kauf genommen werden müssen.The object of the invention is to create a turbine blade type mentioned at the beginning, with the help of simple structural means through the Cooling channels of the turbine blade-directed cooling medium effectively to the Cool the blade is used in operation without significant disadvantages in terms of the stability of the blade and the dynamic running behavior are accepted Need to become.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß im Kühlkanal ein flächiger wärmeleitender Einsatz angeordnet ist.The object on which the invention is based is achieved in that A flat, thermally conductive insert is arranged in the cooling channel.

Zweckmäßigerweise ist der Einsatz dünnwandig eben oder schraubenförmig als Wendel ausgebildet.The insert is expediently flat or helical with thin walls designed as a helix.

Ein guter Halt und ein guter Wärmeübergang ist gewährleistet, wenn der Einsatz im Kühlkanal der Turbinenschaufel eingelötet ist.A good hold and good heat transfer is guaranteed if the insert is soldered into the cooling duct of the turbine blade.

Ein spannungsfreier Sitz des Einsatzes in der Turbinenschaufel im Betrieb ist gegeben, wenn der Einsatz aus einem Material wie die Turbinenschaufel selbst gebildet ist, oder aufgrund seiner Dickenverhältnisse elastische Eigenschaften besitzt.A tension-free fit of the insert in the turbine blade in the Operation is given when the insert is made of a material such as the turbine blade itself is formed, or elastic properties due to its thickness ratios owns.

In alternativer Weise kann aber auch der Einsatz aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sein, der geringfügig größer oder kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Turbinenschaufel. Durch die Lötverbindung wird ein guter Wärmeübergang von der Turbinenschaufel zum flächigen Einsatz geschaffen. Gleichermaßen erhöht sich der Halt des Einsatzes im Betrieb.Alternatively, the insert made of one material can also be used be formed with a coefficient of thermal expansion that is slightly greater or is smaller than the coefficient of thermal expansion of the material of the turbine blade. The soldered connection ensures good heat transfer from the turbine blade to the created areal use. The hold of the insert increases in the same way Operation.

Ein leichter Einbau eines Einsatzes im Kühlkanal einer Turbinenschaufel ist möglich, wenn der Einsatz aus flexiblem Material gebildet ist.An easy installation of an insert in the cooling channel of a turbine blade is possible if the insert is made of flexible material.

Um unterschiedliche Strömungsverhältnisse der Kühlluft zu realisieren, weist der Einsatz bevorzugt eine einstellbare Steigung auf.In order to realize different flow conditions of the cooling air, the insert preferably has an adjustable slope.

Sehr-gute Wärmeübergangsverhältnisse werden erzielt, wenn der Einsatz zusätzlich mit Längsrippen versehen ist. Die Längsrippen sind bei wendelförmigem Einsatz schraubenförmig in der Kühlluftbohrung angeordnet.Very good heat transfer ratios are achieved when the use is additionally provided with longitudinal ribs. The longitudinal ribs are at helical Insert arranged helically in the cooling air bore.

Mithin wird durch die Erfindung die Wärmeübertragungsfläche nach dem Stand der Technik wesentlich erhöht. Nach dem Stand der Technik ist die effektive Wärmeübertragungsfläche die Innenwandung des Kühlkanals der Turbinenschaufel, nach der Erfindung wird zusätzlich die vergleichsweise große Oberfläche des wärmeleitenden Einsatzes für eine Wärmeübertragung zur Verfügung gestellt.Thus, the invention, the heat transfer surface after State of the art significantly increased. According to the state of the art, the effective one Heat transfer surface the inner wall of the cooling channel of the turbine blade, according to the invention is also the comparatively large surface area of the thermally conductive Insert made available for heat transfer.

Da der äußere Rand des Einsatzes durch die Lötverbindung in einem eingreifenden Paßsitz zur Innenwandung des Kühlkanals der Turbinenschaufel steht, tritt zwischen dem Turbinenschaufelkörper und dem flächigen wärmeleitenden Einsatz im Betrieb gute Wärmeleitung ein. Die in den Einsatz eingeleitete Wärme wird durch das vorbeistreichende Kühlmedium effektiv abgeführt. Der flächige Einsatz ist strömungsgünstig gestaltet, so daß nur geringe Druckverluste im Kühlsystem hingenommen werden müssen. Der Einsatz weist nur eine geringe Masse auf, die das statische und dynamische Verhalten der Turbinenschaufel im Betrieb nicht beeinträchtigt. Gleichwohl ist ein fester Halt des Einsatzes im Kühlkanal sichergestellt.Since the outer edge of the insert through the soldered connection in one engaging snug fit to the inner wall of the cooling duct of the turbine blade, occurs between the turbine blade body and the flat, heat-conducting insert good heat conduction during operation. The heat introduced into the insert is carried through the passing cooling medium is effectively removed. The areal use is aerodynamically favorable designed so that only small pressure losses have to be accepted in the cooling system. The insert has only a small mass, which is the static and dynamic behavior the turbine blade is not impaired during operation. Nonetheless, it is a firm one Hold of the insert in the cooling channel ensured.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Laufschaufel als Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 eine Turbinenschaufel gemäß der Erfindung in schematischer Draufsicht, Fig. 2 die Turbinenschaufel gemäß Fig. 1 in schematischer Stirnansicht, und Fig. 3 einen erfindungsgemäß verwendeten flächigen Einsatz in einer Seitenansicht.The invention is described below using a rotor blade as an exemplary embodiment explained in more detail with reference to the drawing; it shows: Fig. 1 a turbine blade according to the invention in a schematic plan view, FIG the turbine blade according to FIG. 1 in a schematic end view, and FIG. 3 shows a Flat insert used according to the invention in a side view.

Die in Fig. 1 veranschaulichte im Betrieb sich drehende Turbinenschaufel 1 besitzt in Radialerstreckung einen durchgehenden Kühlkanal 4 mit Kreisquerschnitt, der sich zumindest im heißen Teil der Schaufel von der Nabenplattform 6 sich bis hin zum Turbinenschaufelende 2 geradlinig erstreckt. Der Eingang des Kühlkanals 4 im Bereich der Turbinenschaufelbasis 3 ist an ein (nicht gezeigtes) Zuführsystem des Kühlmediums angeschlossen, durch das im Betrieb ein kaltes Fluid unter Druck in den Kühlkanal 4 eingeleitet wird.The turbine blade illustrated in FIG. 1 rotating during operation 1 has a continuous cooling channel 4 with a circular cross-section in the radial direction, which is at least in the hot part of the blade from the hub platform 6 up extends in a straight line towards the turbine blade end 2. The entrance of the cooling duct 4 in the area of the turbine blade base 3 is connected to a feed system (not shown) connected to the cooling medium, through which a cold fluid under pressure during operation is introduced into the cooling channel 4.

Im Kühlkanal 4 ist gemäß der Erfindung ein flächiger wärmeleitender Einsatz 5 in Form einer Wendel gemäß Fig. 3a oder in Form eines ebenen Steifens gemäß Fig. 3b durch Einlöten eingesetzt, und so mit dem Turbinenschaufelkörper verbunden, wie dies auch Fig. 2 zu entnehmen ist.According to the invention, a flat, thermally conductive one is in the cooling channel 4 Insert 5 in the form of a helix according to FIG. 3a or in the form of a flat strip inserted by soldering according to FIG. 3b, and thus connected to the turbine blade body, as can also be seen from FIG.

Ersichtlich wird durch die Einsätze gemäß Fig. 3a oder 3b eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche geschaffen, so daß das durch den Kühlkanal 4 hindurchtretende Kühlmedium Wärme aus dem Turbinenschaufelkörper effektiv abführt wodurch die Turbinenschaufel unter besonders guter Ausnutzung des Kühlmediums gekühlt wird.An enlarged one can be seen through the inserts according to FIG. 3a or 3b Heat transfer surface created so that the passing through the cooling channel 4 Cooling medium effectively dissipates heat from the turbine blade body thereby causing the turbine blade is cooled with particularly good utilization of the cooling medium.

Claims (9)

Patentansprüche f Turbinenschaufel mit zumindest einem Kühlkanals für den Durchsatz eines Kühlmediums, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlkanal (4) ein flächiger, wärmeleitender Einsatz (5) angeordnet ist. Claims f turbine blades with at least one cooling channel for the throughput of a cooling medium, characterized in that in the cooling channel (4) a flat, thermally conductive insert (5) is arranged. 2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) schraubenförmig und dünnwandig als Wendel ausgebildet ist.2. turbine blade according to claim 1, characterized in that the Insert (5) is helical and thin-walled as a helix. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) im Kühlkanal (4) eingelötet ist.3. Turbine blade according to claim 1 or 2, characterized in that that the insert (5) is soldered in the cooling channel (4). 4. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie die Turbinenschaufel (1) besteht.4. Turbine blade according to claims 1 to 3, characterized in that that the insert (5) made of the same or a similar material as the turbine blade (1) exists. I 5. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist, der im wesentlichen gleich ist dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Turbinenschaufel (1).I 5. Turbine blade according to claims 1 to 3, characterized in that that the insert (5) is formed from a material with a coefficient of thermal expansion which is substantially equal to the coefficient of thermal expansion of the material the turbine blade (1). 6. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand des geraden oder schraubenförmigen Einsatzes (5) wenigstens partiell in einem Paßsitz zur Innenwandung des Kühlkanals (5) steht.6. Turbine blade according to claims 2 to 5, characterized in that that the outer edge of the straight or helical insert (5) at least is partially in a snug fit to the inner wall of the cooling channel (5). 7. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) aus flexiblem Material gebildet ist.7. turbine blade according to claims 1 to 6, characterized in that that the insert (5) is formed from flexible material. 8. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des schraubenförmigen Einsatzes (5) einstellbar ist.8. turbine blade according to claims 2 to 7, characterized in that that the pitch of the helical insert (5) is adjustable. 9. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) nach Bedarf zusätzliche Längsrippen aufweist.9. turbine blade according to claims 1 to 9, characterized in that that the insert (5) has additional longitudinal ribs as required.
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