EP0892150B1 - Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel - Google Patents

Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel Download PDF

Info

Publication number
EP0892150B1
EP0892150B1 EP97810475A EP97810475A EP0892150B1 EP 0892150 B1 EP0892150 B1 EP 0892150B1 EP 97810475 A EP97810475 A EP 97810475A EP 97810475 A EP97810475 A EP 97810475A EP 0892150 B1 EP0892150 B1 EP 0892150B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ribs
blade
height
trailing edge
web
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97810475A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0892150A1 (de
Inventor
Prith Dr. Harasgama
Bruce Dr. Johnson
Bernhard Dr. Weigand
Pey-Chey Dr. Wu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alstom SA
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Priority to DE59709275T priority Critical patent/DE59709275D1/de
Priority to EP97810475A priority patent/EP0892150B1/de
Priority to US09/111,778 priority patent/US6056508A/en
Priority to JP19751098A priority patent/JP4169834B2/ja
Publication of EP0892150A1 publication Critical patent/EP0892150A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0892150B1 publication Critical patent/EP0892150B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to a cooling system for the trailing edge area of a hollow Gas turbine blade, which extends from the blade root to the blade tip a longitudinally flowed channel extends in the area of the airfoil on the one hand from the inner walls of the rear edge, the suction side and the Pressure side and on the other hand from a connecting the pressure side with the suction side Web is limited, the inner walls of the suction side and the Print page with a plurality of at least approximately parallel Ribs are provided.
  • the invention thus relates generally to a system for cooling a curved wall, which on one side of a hot medium and on a coolant flows around its other side.
  • Cooling is a particular problem of the trailing edge area of such blades, which are in a closed circle are flowed through by the coolant.
  • the walls forming the rear edge include a narrow gap from which the heat is to be removed. For this, the Narrow gap in its width is not a minimal value for manufacturing reasons below. To avoid overheating the rear edge, you may also there are no large accumulations of material. In addition, the For reasons of strength, the wall thickness should not fall below a certain dimension.
  • a cooling system of the type mentioned is known from DE-C2 32 48 162.
  • the area under consideration is equipped with ribs on its inner walls, that run parallel to the machine axis from the rear edge to the web. They are intended to trigger and promote turbulence.
  • the Rip a proper distance to the actual rear edge, which is therefore is rib-free.
  • These ribs have an axial extension constant height. Effective cooling of the actual rear edge area is carried out by blowing out the coolant via appropriately configured Elements.
  • the ribs are in the generic cooling system according to US 5634766 arranged inclined to the machine axis, in such a way that the ribs on the opposite inner walls of pressure and Suction side are aligned opposite, that is, radially outward arranged ribs on the suction side are radially inwardly directed ribs of the Print side opposite or vice versa.
  • This arrangement is said to more uniform application across the entire cross-section of the rear Blade cavity can be achieved with a turbulent coolant flow. But even after this proposed solution, the effective cooling of the actual trailing edge of the blade by blowing out the turbulent coolant. In addition, the trailing edge area is additionally cooled by means of film protected.
  • the present invention has for its object to provide a cooling system of the type mentioned, in which a significant increase in the heat transfer coefficient can be achieved by increasing the turbulence in the trailing edge area and other measures, and the heat dissipation from the existing narrow gap, especially in such blades, through which coolant flows in a closed circuit is improved.
  • the new measure allows i.a. a formation of the blade trailing edge without Blow-out and thus allows the use of steam or others Media for cooling the blade.
  • the ratio of the height of the ribs to the local one Height of the canal increases from the rear edge towards the web or over the length of the ribs is constant.
  • a further relief of the web area is achieved when the height of the Ribs in the area of the web are reduced early so that the ribs do not go up enough to the jetty or adjoining the jetty with only a low height.
  • the then lack of turbulence in this area causes an advantageous reduced Cooling of the web in the connection area.
  • the cast blade shown in Fig. 1 has three inner chambers a, b, and c on that of a coolant, such as steam, perpendicular to the plane of the drawing are flowed through.
  • a coolant such as steam
  • the inside of the blade contour forming wall W - which is surrounded on both sides by hot gases - by the Coolant flows around and give off their heat to the coolant.
  • Tools such as guide ribs, flow channels, inserts for impingement cooling and the like provided to improve wall cooling.
  • the coolant circulates in a closed circuit, which means that neither on the front edge, the suction side, the pressure side nor in the area of the Coolant is blown out of the trailing edge into the flow channel.
  • the problem with the actual trailing edge geometry is explained with reference to FIG. 5.
  • the gap E formed by the walls must have a minimum size in order to be able to absorb sufficient coolant to dissipate the heat generated.
  • the inner edge rounding must therefore be designed with the diameter d. This minimum diameter is usually determined by the manufacturing process, for example casting. For reasons of strength, a minimum wall thickness T cannot be exceeded either. In order to avoid overheating the rear edge, there must be no large accumulation of material there.
  • the dimension L a therefore generally corresponds to the wall thickness T. All of this means that the outer edge rounding must be carried out with a relatively large diameter D a . So far, cooled trailing edges are known.
  • FIGS. 2 and 3 show the cooling system for the trailing edge area of a hollow Gas turbine blade. It extends from the blade root 1 to the blade tip 2 a longitudinally flowed channel 3, which corresponds to the chamber c in Fig. 1. in the Area of the airfoil 4 is this channel from the inner walls of the Trailing edge 5, the suction side 6 and the pressure side 7 and the pressure side of one limited to the suction side connecting web 9.
  • the inner walls of the The suction side 6 and the pressure side 7 are inclined and at least with a plurality provided approximately parallel ribs 8, which are above the blade height are staggered.
  • the suction ribs and the pressure ribs are offset by half a pitch over the blade height.
  • the ribs run radially outwards from the web 9 towards the rear edge at an angle of 45 °. It is expected that the angle of attack is between 15 ° and 75 ° are suitable.
  • the effect of these inclined ribs is - besides that Inherent, known function as a vortex generator - the following:
  • the rib structure causes a secondary flow in duct 3, the warm air transported from the immediate area of the rear edge to the center of the channel. This warm air is replaced by colder air from the center of the duct.
  • the staggered arrangement of the ribs on the suction side 6 and the pressure side 7 does the following:
  • the ratio of the height h of the ribs to the local height H of the channel 3 decreases from the rear edge 5 towards web 9.
  • This increase in height is in the example chosen so that there is a free space between the rear edge and the web in each axial plane flowed channel is about the same width. With this measure a uniform coolant distribution over the entire flow Cross section reached. Only by introducing a location-dependent rib height are the two previously mentioned mechanisms for increasing heat transfer particularly effective.
  • the locally location-dependent rib height creates in Channel a flow that also flows into the narrow trailing edge area, since here the flow resistances are now approximately the same as in the rest of the canal.
  • the design of the new fins in the cooling passage also has a great impact positive and supportive of the above-mentioned secondary flow in the channel, which creates the air from the rear edge into the front channel area.
  • the high ribs in the front channel area induce a very strong one Secondary flow.
  • the height h of the ribs 8 increases in the area of the web 9 steadily towards zero. It goes without saying that, due to the manufacturing process, sharp-edged Connections are hardly possible. As already mentioned, this configuration has the advantage that at the junction of the web with the inner walls the coolant flows along the walls almost without interference and thus less cooling effect developed. Of course, the intermediate bridge 9 may never get too hot. Should this be due to the selected configuration can occur, there is easily the possibility of the ribs up to Continuing the web with an adjusted height, i.e. with the same or reduced Height.
  • the height h of the individual ribs staggered above the blade height can of course be adapted to the local heat load.
  • a Enlargement of the ribs towards the tip of the blade is particularly then attached when the coolant passes through the channel has already warmed up strongly, so that with low rib height the required Temperature difference between the wall to be cooled and the coolant to the target Heat exchange no longer becomes smaller.
  • Fig. 4 a variant is shown, in which the web 9 also in the direction widened ribs 8 on the pressure side 7 from the web 9 in the direction of the rear edge 5 directed radially outwards and the ribs 8 'on the suction side 6 from the web in the direction Trailing edge are directed radially inwards.
  • This variant is considered based on the fact that more on the thermally more stressed blade side Heat must be dissipated if you are even in the rear edge area Metal temperatures above the profile circumference.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel, bei welcher sich vom Schaufelfuss bis zur Schaufelspitze ein längsdurchströmter Kanal erstreckt, welcher im Bereich des Schaufelblattes einerseits von den Innenwandungen der Hinterkante, der Saugseite und der Druckseite und andererseits von einem die Druckseite mit der Saugseite verbindenden Steg begrenzt ist, wobei die Innenwandungen der Saugseite und der Druckseite mit einer Mehrzahl von zumindest annähernd parallel verlaufenden Rippen versehen sind.
Die Erfindung bezieht sich somit ganz allgemein auf ein System zum Kühlen einer gekrümmten Wand, welche an einer Seite von einem heissen Medium und an ihrer anderen Seite von einem Kühlmittel umströmt ist.
Stand der Technik
Hohle, innengekühlte Turbinenschaufeln mit Flüssigkeit, Dampf oder Luft als Kühlmittel sind hinlänglich bekannt. Ein Problem stellt insbesondere die Kühlung des Hinterkantenbereiches von solchen Schaufeln dar, die im gechlossenen Kreis vom Kühlmittel durchströmt sind. Die die Hinterkante bildenden Wandungen umfassen einen Engspalt, aus dem die Wärme abzuführen ist. Hierzu darf der Engspalt in seiner Breite aus Herstellungsgründen einen minimalen Wert nicht unterschreiten. Um eine Überhitzung der Hinterkante zu vermeiden, dürfen auch keine grossen Materialansamlungen vorhanden sein. Darüber hinaus darf die Wandstärke aus Festigkeitsgründen ein bestimmtes Mass nicht unterschreiten. Diese Vorgaben führen dazu, dass innengekühlte Schaufeln mit grossen Rundungsradien an der Hinterkante versehen sind, was sich ungünstig auf den Schaufelwirkungsgrad auswirkt.
Ein Kühlsystem der eingangs genannten Art ist bekannt aus der DE-C2 32 48 162. Der betrachtete Bereich ist an seinen Innenwandungen mit Rippen bestückt, die von der Hinterkante bis hin zum Steg parallel zur Maschinenachse verlaufen. Sie sind zur Turbulenzauslösung und -förderung vorgesehen. Dabei weisen die Rippen eine gehörige Distanz zur eigentlichen Hinterkante auf, welche somit rippenfrei ausgeführt ist. Diese Rippen weisen in ihrer Axialersteckung eine gleichbleibende Höhe auf. Die wirksame Kühlung des eigentlichen Hinterkantenbereiches erfolgt durch Ausblasen des Kühlmittels über entsprechend konfigurierte Elemente.
Bei dem gattungsgleichen Kühlsystem gemäss US 5634766 sind die Rippen gegenüber der Maschinenachse geneigt angeordnet, und zwar dergestalt, dass die Rippen auf den gegenüberliegenden Innenwandungen von Druck- und Saugseite entgegengesetzt ausgerichtet sind, das heisst, radial auswärts angeordneten Rippen der Saugseite stehen radial einwärts gerichtete Rippen der Druckseite gegenüber oder umgekehrt. Durch diese Anordnung soll eine gleichmassigere Beaufschlagung über den gesamten Querschnitt des hinteren Schaufelhohlraums mit einer turbulenten Kühlmittelströmung erreicht werden. Aber auch nach diesem Lösungsvorschlag erfolgt die wirksame Kühlung der eigentlichen Schaufelhinterkante durch Ausblasen des turbulenten Kuhlmittels. Darüber hinaus wird der Hinterkantenbereich zusätzlich mittels einer Filmkühlung geschützt.
Weitere Überlegungen, wie mittels Rippen die Wärmeübertragung in sogenannten Dreieckskanälen - wie sie der Hinterkantenbereich einer Gasturbinenschaufel darstellt - verbessert werden kann, sind in der Zeitschrift "Journal of Thermophysics and Heat Transfer", Vol. 8, No. 3, July-Sept. 1994 auf den Seiten 574-579 in einem Artikel von Zhang et al dargelegt.
Das Problem bei den mit Rippen gleicher Höhe bestückten Dreieckskanälen besteht indes darin, dass durch den grossen Querschnitt an der Basis des Dreiecks infolge des geringeren Widerstandes dort eine zu grosse Menge Kühlmittel durchströmt, während im spitzen Teil des Dreieckes nur eine geringe Menge Fluid, meist in laminarer Form, strömt. Dies kann zu den in der Folge erläuterten Unzulänglichkeiten führen.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem durch Steigerung der Turbulenz im Hinterkantenbereich und weitere Massnahmen eine beträchtliche Erhöhung des Wärmeübergangskoeffiezienten erzielt werden kann, und die Wärmeableitung aus dem bestehenden Engspalt, insbesondere bei solchen Schaufeln, die im geschlossenen Kreis vom Kühlmittel durchströmt sind , verbessert wird.
Erfindungsgemäss wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.
Die neue Massnahme erlaubt u.a. eine Ausbildung der Schaufelhinterkante ohne Ausblasung und ermöglicht somit die Verwendung von Dampf oder anderer Medien zur Kühlung der Schaufel.
Besonders zweckmässig ist es, wenn das Verhältnis Höhe der Rippen zur örtlichen Höhe des Kanals von der Hinterkante in Richtung Steg zunimmt oder über die Längserstreckung der Rippen konstant ist. Mit dieser Massnahme kann in jeder Radialebene von der Hinterkante bis zum Steg ein Querschnitt mit zumindest annähernd gleicher Sperrung und somit gleichmässiger Strömungsverteilung erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass gegenüber dem eingangs erwähnten Stand der Technik die Hinterkante stärker beaufschlagt wird und gleichzeitig der Steg entlastet wird. Letzeres ist wichtig, um zu hohe Spannungen an den beidseitigen Verbindungsstellen des kühlen Steges mit den heissen Schaufelwandungen zu vermeiden. Weiterhin wird durch die Rippenkonfiguration mit konstanter lokaler Kanalhöhe erreicht, dass Fluid in die Eckbereiche des Kanals gelangt und dort eine turbulente Strömung vorherrscht. Die Rippen mit konstanter lokaler Kanalhöhe gewährleisten überdies, dass eine sehr starke Sekundärströmung einsetzt, welche durch die grosse Rippenhöhe im freien Kanalquerschnitt gesteuert wird. Diese Sekundärströmung nimmt warmes Fluid aus den Eckenbereichen heraus und unterstützt die turbulente Vermischung in diesen Bereichen.
Eine weitere Entlastung des Stegbereiches wird dann erreicht, wenn die Höhe der Rippen im Bereich des Steges frühzeitig so reduziert wird, dass die Rippe nicht bis zum Steg reicht oder aber mit einer nur niedrigen Höhe an den Steg angrenzt. Die dann in diesem Bereich fehlende Turbulenz bewirkt eine vorteilhafte verminderte Kühlung des Steges im Verbindungsbereich.
Weitere sinnvolle Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer innengekühlten Gasturbinenschaufel vereinfacht dargestellt. Darin zeigen:
Fig. 1
eine Schaufel im Querschnitt;
Fig. 2
den Hinterkantenbereich der Schaufel nach Fig. 1;
Fig. 3
einen Längsschnitt durch den Hinterkantenbereich;
Fig. 4
eine Variante der Rippenanordnung;
Fig. 5
das Detail z aus Fig. 1 mit einer zum Stand der Technik zählenden Hinterkante.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Insbesondere ist nicht dargestellt, wie das Kühlmedium in den Strömungkanal im Bereich der Hinterkante gelangt und an der Schaufelspitze aus der Schaufel abgezogen wird. Die Strömungsrichtung der beteiligten Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die in Fig. 1 dargestellte, gegossene Schaufel weist drei Innenkammern a, b, und c auf, die von einem Kühlmittel, beispielsweise Dampf, senkrecht zur Zeichnungsebene durchströmt sind. Dabei werden die Innenseiten der die Schaufelkontur bildenden Wand W - die aussen beidseitig von heissen Gasen umströmt ist - vom Kühlmittel umströmt und geben ihre Wärme an das Kühlmittel ab. In der Regel sind zumindest in den zwei vorderen Kammern a, b zahlreiche ,hier nicht gezeigte Hilfsmittel wie Leitrippen, Strömungskanäle, Einsätze für Prallkühlung und dergleichen zur Verbesserung der Wandkühlung vorgesehen. Im Beispielsfall zirkuliert das Kühlmittel im geschlossenen Kreis, worunter verstanden wird, dass weder an der Vorderkante, der Saugseite, der Druckseite noch im Bereich der Hinterkante ein Ausblasen von Kühlmittel in den Strömungskanal erfolgt.
In der Hinterkammer c gibt es zwei Problembereiche. Zum einen die eigentliche dünnwandige Hinterkante, die von den heissen Gasen umströmt wird und einer besonders sorgfältigen Kühlung bedarf, da dort keine Filmkühlung durch Ausblasen vorgesehen ist und zum andern die Verbindungsstellen des Steges 9 mit den Innenwandungen der Saugseite 6 sowie der Druckseite 7, welche auf keinen Fall zu stark gekühlt werden sollen.
Die Problematik mit der eigentlichen Hinterkantengeometrie ist anhand von Fig. 5 erläutert. Der von den Wänden gebildete Enspalt E muss eine minimale Grösse haben, um genügend Kühlmittel zur Abfuhr der anfallenden Wärme aufnehmen zu können. Die innere Kantenabrundung ist deshalb mit dem Durchmesser d auszubilden. Dieser minimale Durchmesser wird in der Regel durch das Herstellungsverfahren bestimmt, beispielsweise Giessen. Aus Festigkeitsgründen kann ebenfalls eine minimale Wandstärke T nicht unterschritten werden. Um eine Überhitzung der Hinterkante zu vermeiden, darf es dort zu keiner grossen Materialansammlung kommen. Das Mass La entspricht demnach in der Regel der Wandstärke T. All dies führt dazu, dass die äussere Kantenabrundung mit einem relativ grossen Durchmesser Da auszuführen ist. Soweit sind gekühlte Hinterkanten bekannt.
Unter Zuhilfenahme der an sich bekannten, mit der Schaufel vergossenen Rippen, indes in neuer Anordnung und Geometrie, löst die Erfindung mit ein und derselben Massnahme die vorherrschenden Probleme in beiden Bereichen.
Die Fig. 2 und 3 zeigen das Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel. Vom Schaufelfuss 1 bis zur Schaufelspitze 2 erstreckt sich ein längsdurchströmter Kanal 3, welcher der Kammer c in Fig. 1 entspricht. Im Bereich des Schaufelblattes 4 ist dieser Kanal von den Innenwandungen der Hinterkante 5, der Saugseite 6 und der Druckseite 7 sowie von einem die Druckseite mit der Saugseite verbindenden Steg 9 begrenzt. Die Innenwandungen der Saugseite 6 und der Druckseite 7 sind mit einer Mehrzahl schräg und zumindest annähernd parallel verlaufender Rippen 8 versehen, die über die Schaufelhöhe gestaffelt angeordet sind. Die saugseitigen Rippen und die druckseitigen Rippen sind über die Schaufelhöhe um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt.
Die Rippen verlaufen vom Steg 9 Richtung Hinterkante radial auswärts unter einem Winkel von 45°. Es ist zu erwarten, dass Anstellwinkel zwischen 15° und 75° geeignet sind. Die Wirkung dieser schräg angestellten Rippen ist - neben der inhärenten, an sich bekannten Funktion als Wirbelerzeuger - folgende:
Die Rippenstruktur verursacht eine Sekundärströmung im Kanal 3, die warme Luft aus dem unmittelbaren Bereich der Hinterkante in die Mitte des Kanals befördert. Diese warme Luft wird durch kältere Luft aus der Kanalmitte ersetzt.
Die versetzte Anordnung der Rippen auf der Saugseite 6 und der Druckseite 7 bewirkt folgendes:
Gegenüber einer nichtversetzten Anordnung wird hierdurch eine sehr gute Anfachung der Wärmeübertragung erreicht durch eine Turbulenzintensivierung bei kleinem Druckverlust. Die Strömung wird andauernd gezwungen, den Hindernissen, welche die Rippen darstellen, auf Druck- und Saugseite auszuweichen, was in einem intensiven Wärmeübergang resultiert.
Das Verhältnis Höhe h der Rippen zur örtlichen Höhe H des Kanals 3 nimmt von der Hinterkante 5 in Richtung Steg 9 zu. Diese Höhenzunahme wird im Beispielsfall so gewählt, dass zwischen Hinterkante und Steg in jeder Axialebene ein frei durchströmter Kanal etwa gleicher Breite entsteht. Mit dieser Massnahme wird eine gleichmässige Kühlmittelverteilung über dem gesamten durchströmten Querschnitt erreicht. Erst durch das Einführen einer ortsabhängigen Rippenhöhe werden die beiden vorher genannten Mechanismen zur Erhöhung der Wärmeübertragung besonders wirksam. Die lokal ortsabhängige Rippenhöhe schafft im Kanal eine Strömung, die auch in den engen Hinterkantenbereich strömt, da hier die Strömungswiderstände nun etwa gleich gross sind wie im restlichen Kanal. Weiterhin wirkt sich die Gestaltung der neuen Rippen in der Kühlpassage sehr positiv und unterstützend auf die oben erwähnte Sekundärströmung im Kanal aus, welche die Luft aus der Hinterkante in den vorderen Kanalbereich schafft. Die hohen Rippen im vorderen Kanalbereich induzieren hierbei eine sehr starke Sekundärströmung.
Bei bestimmten Verhältnissen ist es günstig, wie experimentell nachgewiesen wurde, wenn das Verhältnis Höhe h der Rippen zur örtlichen Höhe H des Kanals über die Längserstreckung der Rippen konstant ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, nimmt die Höhe h der Rippen 8 im Bereich des Steges 9 stetig gegen null ab. Es versteht sich, dass herstellungsbedingt scharfkantige Verbindungen kaum möglich sind. Wie bereits erwähnt, hat diese Konfiguration den Vorteil, dass an der Verbindungsstelle des Steges mit den Innenwandungen das Kühlmittel nahezu störungsfrei an den Wandungen entlang strömt und damit weniger Kühlwirkung entwickelt. Selbstverständlich darf der Zwischensteg 9 niemals zu heiss werden. Sollte aufgrund der gewählten Konfiguration dieser Fall eintreten können, so besteht ohne weiteres die Möglichkeit, die Rippen bis zum Steg mit einer angepassten Höhe weiterzuführen, d.h. mit gleicher oder reduzierter Höhe.
Die Höhe h der einzelnen über der Schaufelhöhe gestaffelten Rippen kann selbstverständlich der lokal vorliegenden Wärmebelastung angepasst sein. Eine Vergrösserung der Rippen gegen die Schaufelspitze hin ist insbesondere dann angebracht, wenn das Kühlmittel sich im Verlauf seines Weges durch den Kanal bereits stark erwärmt hat, so dass bei geringer Rippenhöhe die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen zu kühlender Wand und Kühlmittel zum angestrebten Wärmeaustausch nicht mehr kleiner wird.
Eine ähnliche Wirkung kann erzielt werden, indem der Abstand der Rippen über die Schaufelhöhe variabel gestaltet wird. Selbstverständlich können auch beide Massnahmen kombiniert werden.
In Fig. 4 ist eine Variante dargestellt, bei welcher die in Richtung Steg 9 ebenfalls verbreiterten Rippen 8 an der Druckseite 7 vom Steg 9 in Richtung Hinterkante 5 radial auswärts gerichtet und die Rippen 8' an der Saugseite 6 vom Steg in Richtung Hinterkante radial einwärts gerichtet sind. Dieser Variante liegt die Überlegung zugrunde, dass an der thermisch höher belasteten Schaufelseite mehr Wärme abgeführt werden muss, wenn man im Hinterkantenbereich gleichmässige Metalltemperaturen über dem Profilumfang anstrebt.
Bei gegebenen Bedingungen - d.h. Geometrie und Wandstärke der Hinterkante und der seitlichen Wandungen; Geometrie der vom Kühlmittel zu durchströmenden Kammer c; Wärmebelastung der Schaufelhinterkante; Art, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels - sind demnach die Wahl des Rippen-Anstellwinkels, die lokale Höhe der in den durchströmten Kanal hineinragenden Rippen, die Anzahl und die Teilung der in der Radialen über die Schaufelhöhe gestaffelten Rippen massgebend für konstante Metalltemperaturen über die Blatthöhe.
Messungen haben ergeben, dass der Wärmeübergangskoeffizient mit den neuen schräg angestellten Rippen mit lokal veränderlicher Höhe um ein Mehrfaches höher ist als mit den bekannten in axialer Richtung verlaufenden Rippen.
Bezugszeichenliste
a,b,c
Innenkammern der Schaufel
W
Schaufelwand
E
Engspalt
L
Länge der Materialansammlung
T
Wandstärke
d
innere Kantenabrundung
D
äusseere Kantenabrundung
1
Schaufelfuss
2
Schaufelspitze
3
längsdurchströmter Kanal
4
Schaufelblatt
5
Hinterkante
6
Saugseite
7
Druckseite
8,8'
Rippe
9
Steg
h
Höhe der Rippe
H
örtliche Breite des Kanals 3

Claims (7)

  1. Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel, bei welcher sich vom Schaufelfuss (1) bis zur Schaufelspitze (2) ein längsdurchströmter Kanal (3) erstreckt, welcher im Bereich des Schaufelblattes (4) einerseits von den Innenwandungen der Hinterkante (5), der Saugseite (6) und der Druckseite (7) und andererseits von einem die Druckseite mit der Saugseite verbindenden Steg (9) begrenzt ist, wobei die Innenwandungen der Saugseite und der Druckseite mit einer Mehrzahl von zumindest annähernd parallel verlaufenden Rippen (8) versehen sind, welche Rippen (8) vom Steg (9) in Richtung Hinterkante (5) schräg verlaufen und an zumindest einer der beiden Innenwandungen radial auswärts gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Rippen (8) von der Hinterkante (5) in Richtung Steg (9) zunimmt.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Höhe (h) der Rippen (8) zur örtlichen Höhe (H) des Kanals (4) über die Längserstreckung der Rippen konstant ist.
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Rippen (8) im Bereich des Steges (9) abnimmt.
  4. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h der Rippen (8) über die Schaufelhöhe variabel ist.
  5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung der Rippen (8) zueinander über die Schaufelhöhe variabel ist.
  6. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Schaufelhöhe die saugseitigen Rippen (8') und die druckseitigen Rippen (8) um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt sind.
  7. Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (8) an der Druckseite (7) vom Steg (9) in Richtung Hinterkante (5) radial auswärts gerichtet und die Rippen (8') an der Saugseite (6) vom Steg (9) in Richtung Hinterkante (5) radial einwärts gerichtet sind.
EP97810475A 1997-07-14 1997-07-14 Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel Expired - Lifetime EP0892150B1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE59709275T DE59709275D1 (de) 1997-07-14 1997-07-14 Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel
EP97810475A EP0892150B1 (de) 1997-07-14 1997-07-14 Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel
US09/111,778 US6056508A (en) 1997-07-14 1998-07-08 Cooling system for the trailing edge region of a hollow gas turbine blade
JP19751098A JP4169834B2 (ja) 1997-07-14 1998-07-13 中空のガスタービン羽根の後縁領域のための冷却装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP97810475A EP0892150B1 (de) 1997-07-14 1997-07-14 Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0892150A1 EP0892150A1 (de) 1999-01-20
EP0892150B1 true EP0892150B1 (de) 2003-02-05

Family

ID=8230297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP97810475A Expired - Lifetime EP0892150B1 (de) 1997-07-14 1997-07-14 Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6056508A (de)
EP (1) EP0892150B1 (de)
JP (1) JP4169834B2 (de)
DE (1) DE59709275D1 (de)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001000965A1 (de) * 1999-06-28 2001-01-04 Siemens Aktiengesellschaft Heissgasbeaufschlagbares bauteil, insbesondere turbinenschaufel
EP1266128B1 (de) * 2000-03-22 2005-01-12 Siemens Aktiengesellschaft Versteifungs- und kühlstruktur einer turbinenschaufel
EP1167690A1 (de) 2000-06-21 2002-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Kühlung der Abströmkante einer Gasturbinenschaufel
US7117686B2 (en) * 2003-12-11 2006-10-10 Utc Power, Llc High-efficiency turbulators for high-stage generator of absorption chiller/heater
US7513745B2 (en) * 2006-03-24 2009-04-07 United Technologies Corporation Advanced turbulator arrangements for microcircuits
US8246306B2 (en) * 2008-04-03 2012-08-21 General Electric Company Airfoil for nozzle and a method of forming the machined contoured passage therein
US8585365B1 (en) * 2010-04-13 2013-11-19 Florida Turbine Technologies, Inc. Turbine blade with triple pass serpentine cooling
US9388700B2 (en) 2012-03-16 2016-07-12 United Technologies Corporation Gas turbine engine airfoil cooling circuit
JP6108982B2 (ja) * 2013-06-28 2017-04-05 三菱重工業株式会社 タービン翼及びこれを備える回転機械
JP6245740B2 (ja) * 2013-11-20 2017-12-13 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ガスタービン翼
US10012092B2 (en) * 2015-08-12 2018-07-03 United Technologies Corporation Low turn loss baffle flow diverter
CN117763763A (zh) * 2024-01-02 2024-03-26 上海交通大学 用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1361256A (en) * 1971-08-25 1974-07-24 Rolls Royce Gas turbine engine blades
GB1410014A (en) * 1971-12-14 1975-10-15 Rolls Royce Gas turbine engine blade
US4775296A (en) * 1981-12-28 1988-10-04 United Technologies Corporation Coolable airfoil for a rotary machine
US4474532A (en) * 1981-12-28 1984-10-02 United Technologies Corporation Coolable airfoil for a rotary machine
US4514144A (en) * 1983-06-20 1985-04-30 General Electric Company Angled turbulence promoter
US5232343A (en) * 1984-05-24 1993-08-03 General Electric Company Turbine blade
US5002460A (en) * 1989-10-02 1991-03-26 General Electric Company Internally cooled airfoil blade
US5695322A (en) * 1991-12-17 1997-12-09 General Electric Company Turbine blade having restart turbulators
US5634766A (en) * 1994-08-23 1997-06-03 General Electric Co. Turbine stator vane segments having combined air and steam cooling circuits
US5488825A (en) * 1994-10-31 1996-02-06 Westinghouse Electric Corporation Gas turbine vane with enhanced cooling
US5536143A (en) * 1995-03-31 1996-07-16 General Electric Co. Closed circuit steam cooled bucket

Also Published As

Publication number Publication date
JP4169834B2 (ja) 2008-10-22
US6056508A (en) 2000-05-02
JPH1172004A (ja) 1999-03-16
EP0892150A1 (de) 1999-01-20
DE59709275D1 (de) 2003-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0892149B1 (de) Kühlsystem für den Vorderkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel
DE60017437T2 (de) Rippen zur erhöhung der wärmeübertragung einer mittels kühlluft innengekühlten turbinenschaufel
DE69838015T2 (de) Schaufelkühlung
DE69822100T2 (de) Turbinenschaufel
EP2087206B1 (de) Turbinenschaufel
DE602005000449T2 (de) Kühlung mit Mikrokanälen für eine Turbinenschaufel
DE60031185T2 (de) Methode zur Kühlung einer Wand einer Strömungsmaschinenschaufel
DE69714960T3 (de) Wirbelelementkonstruktion für Kühlkanäle eines Gasturbinenrotorschaufelblattes
EP1267039B1 (de) Kühlkonstruktion für Schaufelblatthinterkante
DE69910913T2 (de) Kühlbare Schaufel für Gasturbinen
DE69816578T2 (de) Turbinenschaufel mit Kühlung der Hinterkantenwurzel
EP0892150B1 (de) Kühlsystem für den Hinterkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel
DE60122050T2 (de) Turbinenleitschaufel mit Einsatz mit Bereichen zur Prallkühlung und Konvektionskühlung
CH697919A2 (de) Turbinenblatt mit konkavem Kühlkanal und darin angeordneten, entgegengesetzte Drallströme bewirkende Turbulatoren.
DE4441507A1 (de) Turbinenkühlschaufel
EP0825332B1 (de) Kühlbare Schaufel
DE202006009464U1 (de) Wärmetauscher
EP0964981B1 (de) Turbinenschaufel sowie deren verwendung in einer gasturbinenanlage
WO2010015433A1 (de) Wärmeübertragungseinheit für eine verbrennungskraftmaschine
DE3518314A1 (de) Turbinenschaufel
EP1292760B1 (de) Konfiguration einer kühlbaren turbinenschaufel
DE69925447T2 (de) Kühlbare Schaufelblätter
DE102006029043B4 (de) Wärmeübertragungseinheit für eine Verbrennungskraftmaschine
DE2127454A1 (de) Gasturbine
EP0892151A1 (de) Kühlsystem für den Vorderkantenbereich einer hohlen Gasturbinenschaufel

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): DE GB

AX Request for extension of the european patent

Free format text: AL;LT;LV;RO;SI

17P Request for examination filed

Effective date: 19990619

AKX Designation fees paid

Free format text: DE GB

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: ALSTOM

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

17Q First examination report despatched

Effective date: 20020109

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: ALSTOM (SWITZERLAND) LTD

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Designated state(s): DE GB

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REF Corresponds to:

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20030313

Kind code of ref document: P

GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

Effective date: 20030506

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed

Effective date: 20031106

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R082

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

Representative=s name: UWE ROESLER, DE

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: 732E

Free format text: REGISTERED BETWEEN 20120802 AND 20120808

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R082

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

Representative=s name: ROESLER, UWE, DIPL.-PHYS.UNIV., DE

Effective date: 20120713

Ref country code: DE

Ref legal event code: R081

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

Owner name: GENERAL ELECTRIC TECHNOLOGY GMBH, CH

Free format text: FORMER OWNER: ALSTOM (SWITZERLAND) LTD., BADEN, CH

Effective date: 20120713

Ref country code: DE

Ref legal event code: R081

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

Owner name: ALSTOM TECHNOLOGY LTD., CH

Free format text: FORMER OWNER: ALSTOM (SWITZERLAND) LTD., BADEN, CH

Effective date: 20120713

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R082

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

Representative=s name: ROESLER, UWE, DIPL.-PHYS.UNIV., DE

Ref country code: DE

Ref legal event code: R081

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

Owner name: GENERAL ELECTRIC TECHNOLOGY GMBH, CH

Free format text: FORMER OWNER: ALSTOM TECHNOLOGY LTD., BADEN, CH

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20160722

Year of fee payment: 20

Ref country code: GB

Payment date: 20160721

Year of fee payment: 20

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R071

Ref document number: 59709275

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: PE20

Expiry date: 20170713

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: 732E

Free format text: REGISTERED BETWEEN 20170824 AND 20170830

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF EXPIRATION OF PROTECTION

Effective date: 20170713