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Die Erfindung betrifft hohle, gebogene
Strömungsprofile
und Geometrien für
die inneren Kühlleitungen
in gebogenen Strömungsprofilen.
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Das interne Kühlen ist ein „Muss" in den meisten Gasturbinen-Strömungsprofilen.
Das Kühlen wird
generell bewirkt, indem man Kühlluft
durch eine Serpentine von Passagen, die in dem Strömungsprofil
angeordnet sind, strömen
lässt.
Die internen Passagen, die sich in Erstreckungsrichtung in dem Strömungsprofil
erstrecken, sind miteinander durch 180°-Passagenkehren oder durch sich
in Breitenrichtung erstreckende Passagen oder durch beide verbunden.
Typischerweise werden die internen Passagen durch Gießen mit
einem massiven keramischen Kern erzeugt, der später entfernt wird. Der keramische
Kern wird mit einer geteilten Form hergestellt, die eine Druckseitentafel
und eine Sogseitentafel hat. „Druckseite" und „Sogseite" sind Fachbegriffe,
die verwendet werden, um die Seiten des Strömungsprofils zu beschreiben,
die in Richtung auf die bzw. weg von der Gasströmung zeigen, die durch die
Maschine strömt.
Nach dem Verfestigen des Kerns werden die Formhälften entlang von „Trennlinien" getrennt, um den
massiven Kern freizugeben. Eine „Trennlinie" bezeichnet die imaginäre Linie
entlang derer die Formhälfte
für ein
Entfernen von dem Kern ausgelegt ist.
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Die Formanordnung, die zum Herstellen
des Kerns verwendet wird, beeinflusst stark die Geometrie der internen
Passagen. Die Oberflächen
des Kerns, an denen die Rippenenden und die Endwände der Passagenkehren geformt
werden, wurden historisch so ausgelegt, dass sie im Wesentlichen
parallel zu den Trennlinien sind. Die Parallelität zwischen den Kernoberflächen und
den Formwänden
erleichtert das Entfernen der Form. Ein Nachteil dieses Ansatzes
ist, dass die Geometrie der internen Passagen, die zur Erzielung
der Parallelität
ausgelegt ist, manchmal interne Passagen mit schlechteren als optimalen
Strömungseigenschaften
erzeugt, insbesondere bei gebogenen Strömungsprofilen. Für hohle Strömungsprofile
generell betrachte man beispielsweise EP-0465004, welches ein Gasturbinen-Strömungsprofil
mit Kühlpassagen bereichen
beschreibt, die lokal verdickte Wandelementbereiche haben, um so
den spitzen Winkel zwischen den Flanken und den diesen benachbarten
verdickten Wandelementbereichen zu eliminieren.
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Benötigt wird deshalb eine Geometrie
für interne
Strömungspassagen
für gebogene
Strömungsprofile
mit verbesserten Strömungseigenschaften.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt
die Erfindung ein Strömungsprofil
bereit, aufweisend: eine Druckseitenwand und ein Sogseitenwand,
welche sich in Breitenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer
Hinterkante und in Erstreckungsrichtung zwischen einer inneren und
einer äußeren radialen Oberfläche erstrecken,
und wobei die Seitenwände in
Erstreckungsrichtung gebogen sind; eine Mehrzahl von sich in Erstreckungsrichtung
erstreckenden Passagen, die zwischen der Druck- und Sogseitenwand angeordnet
sind; mindestens eine Passagenkehre, die die Passagen verbindet,
wobei die Passagenkehre eine Endwand aufweist; wobei die Endwand
und eine der Seitenwände
spitz aufeinander zu laufen; und wobei sich eine Ausrundung zwischen
der Seitenwand und der spitz darauf zu laufenden Endwand erstreckt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt schafft
die Erfindung ein Strömungsprofil,
aufweisend eine Druckseitenwand und eine Sogseitenwand, welche sich
in Breitenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante
und in Erstreckungsrichtung zwischen einer inneren und einer äußeren radialen Oberfläche erstrecken,
wobei die Seitenwände
in Erstreckungsrichtung gebogen sind; eine Mehrzahl von in Erstreckungsrichtung
verlaufenden Passagen, die zwischen der Druck- und der Sogseitenwand
angeordnet sind; und eine Rippe, welche die Passagen trennt und
ein Rippenende hat; wobei die Rippe und eine der Seitenwände spitz
aufeinander zu laufen; und wobei sich eine Ausrundung zwischen der
Seitenwand und dem spitz darauf zu laufenden Rippenenden erstreckt.
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Die Erfindung betrifft auch einen
Kern zum Herstellen eines Strömungsprofils
gemäß der Erfindung.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird ein gebogenes Strömungsprofil
bereitgestellt, welches eine Mehrzahl von Passagen aufweist, die
zwischen einer Druckseitenwand und einer Sogseitenwand angeordnet
sind. Die Druck- und Sogseitenwand erstreckt sich in Breitenrichtung zwischen
einer Vorderkante und einer Hinterkante, und in Erstreckungsrichtung
zwischen einer inneren und einer äußeren Plattform. Passagen erstrecken sich
in Erstreckungsrichtung zwischen der inneren und der äußeren Plattform.
Rippen, von denen jede ein Rippenende hat, trennen benachbarte Passagen. Passagenkehren,
von denen jede eine Endwand hat, verbinden die Passagen. Die Endwand
einer jeden Passagenkehre bildet eine spitzwinklige Ecke mit einer
der Seitenwände,
und eine erste Ausrundung ist in der spitzwinkligen Ecke angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bildet jedes Rippenende eine zweite spitzwinklige
Ecke mit einer der Seitenwände, und
eine zweite Ausrundung ist in der zweiten spitzwinkligen Ecke angeordnet.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
ist, dass Bereiche still stehender Strömung in den Passagenkehren
eines Strömungsprofils
mit sich krümmender
Erstreckung eliminiert werden können.
Das Vorsehen von Ausrundungen in den spitzwinkligen Ecken, die zwischen
den Seitenwänden
und der Passagenkehren-Endwand und/oder dem Rippenende gebildet
sind, eliminiert die scharfen Ecken, die gebildet werden, wenn die
Endwände
und die Rippenenden parallel zu den Trennlinien der Kernform sind.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, dass die Trennung der Formhälften von dem Kern erleichtert
ist. Bei dem Verfahren aus dem Stand der Technik, bei dem die Rippenenden
und die Endwände
des Kerns im Wesentlichen parallel zu den Trennlinien sind, ist
es erforderlich, einen geringen Freiwinkel (≤ 3°) vorzusehen, um zu vermeiden, dass
die Kernform während
des Trennens entlang des Kerns schleift. Das Schleifen der Kernform über die
abrasive Oberfläche
des keramischen Kerns abradiert die Oberfläche der Kernform. Die vorliegende Erfindung öffnet andererseits
den Winkel zwischen einem Teil des Rippenendes und der Passagenkehren-Endwand
und erleichtert so ein Trennen. Der Fachmann wird erkennen, dass
Kernformen sehr teuer sind und es ein entscheidender Vorteil ist,
den Formverschleiß zu
minimieren.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer Einzelleitschaufel
mit einem in Erstreckungsrichtung gekrümmten Profil;
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2 ist
eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten Leitschaufel;
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3 ist
eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten Leitschaufel;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Ausschnitts von 3;
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht
einer Passagenkehre ähnlich
zu der in 4, die Ausrundungen
mit einem gekrümmten
Profil zeigt;
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6 ist
eine schematische Ansicht eines Gusskerns für eine hohle Leitschaufel mit
einem in Erstreckungsrichtung gekrümmten Profil;
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7 ist
eine schematische Schnittansicht des in 6 gezeigten Kerns;
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8 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer Einzelleitschaufel
mit einem in Erstreckungsrichtung geraden Profil;
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9 ist
eine schematische Schnittansicht der in 8 gezeigten Leitschaufel; und
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10 ist
eine schematische Schnittansicht der in 8 gezeigten Leitschaufel.
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Es wird auf die 1 bis 4 Bezug
genommen. Eine Statoranordnung (nicht gezeigt) weist eine Mehrzahl
von Leitschaufelsegmenten 20 auf, die kollektiv eine ringförmige Struktur
bilden. Jedes Leitschaufelsegment 20 weist ein Strömungsprofil 22, eine
innere Plattform 24 und eine äußere Plattform 26 auf.
Die inneren 24 und äußeren 26 Plattformen schaffen
gemeinsam die radialen Gaswegbegrenzungen durch die Statoranordnung.
Jedes Strömungsprofil 22 weist
eine Druckseitenwand 28, eine Sogseitenwand 30 und
eine Mehrzahl von Passagen 32, Passagenkehren 34 und
Rippen 36 auf, die in dem Strömungsprofil 22 zwischen
der Druckseitenwand 28 und der Sogseitenwand 30 angeordnet
sind. Die Druckseitenwand 28 und die Sogseitenwand 30 erstrecken
sich in Breitenrichtung zwischen einer Vorderkante 38 und
einer Hinterkante 40 und in Erstreckungsrichtung zwischen
der inneren 24 und der äußeren 26 Plattform.
Die Strecke zwischen der Druckseitenwand 28 und der Sogseitenwand 30 reflektiert
die Dicke des Strömungsprofils 22.
Die Druckseitenwand 28 und die Sogseitenwand 30 sind gekrümmt oder "gebogen" in Erstreckungsrichtung.
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Die Druckseitenwand 28 und
die Sogseitenwand 30 und die Rippe 36 bilden die
Wände für die Passagen 32.
In manchen Ausführungsformen
bilden auch die Vorderkante 38 und/oder die Hinterkante 40 eine
Wand für
eine Passage 32. Alle Passagen 32 erstrecken sich
in Erstreckungsrichtung zwischen der inneren 24 und der äußeren Plattform 26 und
sind deshalb entlang dem gleichen Krümmungsweg gebogen wie die Druckseitenwand 28 und
die Sogseitenwand 30. Die Passagenkehren 34 verbinden
benachbarte Passagen 32 in einer serpentinenartigen Weise über die
Breite des Strömungsprofils 22 von der
Vorderkante 38 zu der Hinterkante 40. Die der Vorderkante 38 benachbarte
Passage 32 weist typischerweise einen Einlass 42 zum
Aufnehmen von Kühlluft
auf, und die der Hinterkante 40 benachbarte Passage 32 weist
typischerweise Öffnungen
(nicht gezeigt) zum Abgeben von Kühlluft in den Gasweg auf. Jede
Passagenkehre 34 weist eine Endwand 44 auf, die
sich in Breitenrichtung zwischen benachbarten Passagen 32 erstreckt.
Eine erste spitzwinklige Ecke 41 ist zwischen einer der
Seitenwände 28, 30 und
der Endwand 44 in Folge des in Erstreckungsrichtung spitzen
Profils des Strömungsprofils 22 gebildet.
Eine erste Ausrundung 45 ist in der Ecke 41 angeordnet.
Jede Rippe 36 weist eine Endfläche 46 auf, die auch
als das "Rippenende" bezeichnet wird und
an einer Passagenkehre 34 angeordnet ist. Eine zweite spitzwinklige
Ecke 43 ist zwischen einer der Seitenwände 28, 30 und
dem Rippenende 46 in Folge des in Erstreckungsrichtung
gekrümmten
Profils des Strömungsprofils 22 gebildet.
Eine zweite Ausrundung 48 ist in der Ecke 43 angeordnet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist der exponierte Rand der ersten und der zweiten Ausrundung 45, 48 im Wesentlichen
rechtwinklig zu den Seitenwänden 28, 30.
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Es wird auf die 6 und 7 Bezug
genommen. Jedes Strömungsprofil 22 ist
im Investment-Gussverfahren unter Verwendung eines keramischen Kerns 50,
der die Passagen 32 in dem Strömungsprofil 22 repräsentiert,
gebildet. Die Geometrie des Kerns 50 reflektiert die Passagenhohlräume 32, die
man in dem hohlen Strömungsprofil 22 findet. 6 zeigt eine Ansicht eines
Kerns 50 in der Ebene, die die Breitenrichtung und die
Erstreckungsrichtung beinhaltet, die die serpentinenartige Natur
der Passagen 32 zeigt. 7 zeigt
eine Ansicht des in 6 gezeigten
Kerns 50 in der Ebene, welche die Dickenrichtung und die
Erstreckungsrichtung enthält, die
durch einen Bereich 51 des Kerns 50 geschnitten ist,
der eine Passagenkehre 34 bilden wird, um die Geometrie
der Passagenkehre 34 zu illustrieren. Die Oberfläche 52 des
Kerns 50, an der die Endwand 44 der Passagenkehre 34 gebildet
werden wird, weist eine Oberfläche 54 auf,
an der die erste Ausrundung 45 gebildet wird. Ähnlich weist
die Oberfläche 58 von Kern 50,
an der das Rippenende 46 geformt wird, eine Oberfläche 60 auf,
an der die zweite Ausrundung 48 gebildet wird.
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Um die vorliegende Erfindung besser
zu verstehen, vergleiche man die Endwand 44 einer Passagenkehre 34 und
ein Rippenende 46 in einem ungebogenen Strömungsprofil 22 (8 bis 10) mit denen eines kräftig gebogenen
Strömungsprofils 22 (1 bis 3). In dem ungebogenen Strömungsprofil 22 sind die
in Erstreckungsrichtung verlaufenden Passagen 32 im Wesentlichen
in einer einzigen Ebene, und diese Ebene ist rechtwinklig zu den
Trennlinien 64. Die Endwand 44 und das Rippenende 46 in
dem ungebogenen Strömungsprofil 22 sind
auch rechtwinklig zu der Ebene, weil die Endwand 44 und
das Rippenende 46 parallel zu den Trennlinien 64 sind.
Als Folge sind 90°-Winkel
zwischen der Endwand 44 und den Seitenwänden 28, 30 und
zwischen den Rippenenden 46 und den Seitenwänden 28, 30 gebildet.
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Bei einem gebogenen Strömungsprofil 22 andererseits
werden ein Rippenende 46 und eine Endwand 44,
die parallel zu den Trennlinien 64 gehalten sind, relativ
zu den Seitenwänden 28, 30 der Passagen 32 schräg sein,
weil die Passage 32 einem gekrümmten Weg (d. h. "einer Biegung") folgt. Die schräge Relation
zwischen den Seitenwänden 28, 30 und
den Endwänden 44 und
zwischen den Seitenwänden 28, 30 und
den Rippenenden 46 formt spitzwinklige Ecken 41, 43 in
den Passagenkehren 34. Die spitzen Winkel 41, 43 fördern unerwünschte Strömungsanomalitäten in den
Ecken, die die Zirkulation in den Ecken verschlechtern, und die
verringerte Zirkulation führt
zu einer weniger als optimalen Kühlung. Die
in den 3 bis 5 gezeigten unterbrochenen
Linien zeigen die genannten spitzwinkligen Ecken 41, 43.
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Das Leitschaufelsegment 20 und
der Kern 50 der vorliegenden Erfindung eliminieren die
problematischen spitzwinkligen Ecken in den Passagenkehren 34 und
folglich die sich ergebenden "hot
spots", indem Ausrundungen 45, 48 in
den spitzen Ecken 41, 43 vorgesehen sind. In der
bevorzugten Ausführungsform
sind die erste 45 und die zweite 48 Ausrundung
im Wesentlichen rechtwinklig zu der Druckseitenwand 28 und
der Sogseitenwand 30; d. h. im Wesentlichen rechtwinklig
zur Richtung der Strömung 72 durch
die Passage 32. In alternativen Ausführungsformen können die
Ausrundungen relativ zu den Seitenwänden ein spitzes Profil haben,
wie das in der 5 gezeigt
ist. Man erkennt aus der vorangegangenen Beschreibung, dass die
Erfindung ein Strömungsprofil
mit internen Kühlpassagen
mit optimalen Strömungseigenschaften
schafft, die dazu beitragen, das Strömungsprofil gleichförmig zu
kühlen, und
die leicht hergestellt werden können.
Sie liefert auch einen Kern für
ein gebogenes hohlen Strömungsprofil,
der Kühlpassagen
mit optimalen Strömungseigenschaften
produziert, und einen, der leicht hergestellt werden kann.