EP1006263A1 - Schaufelkühlung - Google Patents

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EP1006263A1
EP1006263A1 EP98811184A EP98811184A EP1006263A1 EP 1006263 A1 EP1006263 A1 EP 1006263A1 EP 98811184 A EP98811184 A EP 98811184A EP 98811184 A EP98811184 A EP 98811184A EP 1006263 A1 EP1006263 A1 EP 1006263A1
Authority
EP
European Patent Office
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blade
recess
cooling
insert element
channel
Prior art date
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EP98811184A
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English (en)
French (fr)
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EP1006263B1 (de
Inventor
Hartmut Hähnle
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.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Schweiz AG
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
Application filed by ABB Schweiz AG, ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Schweiz AG
Priority to DE59810560T priority Critical patent/DE59810560D1/de
Priority to EP98811184A priority patent/EP1006263B1/de
Priority to US09/450,729 priority patent/US6328532B1/en
Priority to CN99125857.6A priority patent/CN1261673C/zh
Publication of EP1006263A1 publication Critical patent/EP1006263A1/de
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    • 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
    • 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
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades

Definitions

  • the invention relates to devices for guiding the flow of a cooling fluid in one Cooling channel of an internally cooled blade of a turbomachine, in particular one Gas turbine.
  • turbomachines in particular gas turbines
  • the efficiency of turbomachines can be improved by increasing the pressure and the temperature of the fluid as parameters determining the cycle.
  • the fluid temperatures that are common today in the operation of turbomachinery, especially in the turbine inlet area, are already well above the permissible material temperatures of the components. Above all, the blading of the turbine is directly exposed to the hot fluid flow. The heat dissipation of the turbine blades caused by the heat conduction of the material is generally not sufficient to prevent the blades from overheating. Too high material temperatures initially lead to a decrease in the strength values of the material. This often leads to cracking in components. If the melting temperature of the material is exceeded, the component is locally or completely destroyed.
  • convection cooling is predominantly used as a cooling method for cooling blades by means of a cooling fluid, mostly cooling air, which is common today.
  • the cooling fluid is passed through the blades, which are each hollow or provided with cooling channels.
  • the material temperature that is set is therefore below the maximum permissible temperature of the blade material.
  • the cooling fluid usually flows out into the main flow via one or more openings in the blade wall. Often, however, the cooling fluid is also conducted into another internal chamber at the end of the cooling channel and from there into another cooling channel or also into the main flow.
  • Another method for cooling blades is the so-called film cooling.
  • a cooling fluid usually also cooling air, which is supplied in cooling channels, is blown out onto the blade surface through openings in the blade.
  • the cooling fluid forms a separating layer, similar to a fluid film, between the blade wall and the hot flow fluid. Thus there is no direct heat transfer between the hot fluid of the main flow and the blade.
  • the invention has for its object the flow of a cooling fluid of a cooled Guide blade of a turbomachine.
  • At least one insertion element is arranged in at least one recess in the blade for guiding the cooling fluid.
  • the blade has at least one supply opening for supplying cooling fluid into the cooling channel and moreover at least one further opening.
  • the cutout and the insertion element extend in the longitudinal direction of the blade only over a partial area of the blade.
  • the insert element projects at least partially into at least one cooling channel of the blade.
  • the recess and the insertion element are preferably designed with a rectangular or slot-shaped cross section.
  • the cross section to be considered here is the cross section perpendicular to the insertion direction of the insertion element. It is particularly expedient to carry out the dimensions of the cutout and of the insertion element in the form of an interference fit.
  • the insert element can be inserted into the recess by means of a positive connection.
  • the insertion element is often also soldered appropriately.
  • the recess can be manufactured and processed in a simple manner in terms of production technology.
  • the outer contour of the insert element is advantageously adapted to the contour of the blade profile at the point of the recess. In this way, tripping point-like transitions in the course of the wall contour of the blade are avoided. Such tripping point-like transitions would lead to higher flow losses in the main flow of the turbomachine.
  • at least the insert element has a shoulder or a continuously reducing cross-section.
  • the cross section of the insert element is advantageously reduced in the insertion direction of the insert element into the recess.
  • the recess is expediently designed in the same way so that the insert element can be inserted into the recess by means of a positive connection.
  • the insert element arranged in this way also advantageously has at least one flow channel arranged in the insert element.
  • a groove is preferably arranged in the insertion element such that this groove forms the flow channel together with the adjacent top wall and / or an adjacent side wall of the blade.
  • the flow channel is connected to the cooling channel via at least one opening and moreover preferably has at least one outlet opening.
  • the flow channel is usually designed with a smaller flow cross section than the cooling channel.
  • the outlet opening of the flow channel is particularly expedient to design the outlet opening of the flow channel as a through opening in the adjacent top wall and / or an adjacent side wall. If the cooling channel has no further outlet openings, the entire cooling fluid supplied to the cooling channel flows through the flow channel. If there are further outlet openings of the cooling channel, the cooling fluid mass flow is divided accordingly. If several cooling channels are arranged in the blade or the cooling channel is subdivided into partial channels, the outlet opening of the flow channel can also expediently open into a further cooling channel or a further partial channel of the cooling channel. It was found that by means of such a flow channel, the cooling fluid can be guided in a targeted manner along the adjacent top wall and / or the adjacent side wall. This enables targeted cooling of wall areas that were previously poorly or not at all cooled.
  • the recess and the insertion element are also advantageous to arrange the recess and the insertion element so that the in the recess arranged insert element directly to the top wall and / or at least one side wall is adjacent or at least partially in the top wall and / or Sidewall is integrated and at least one opening of the cooling channel at least partially closed.
  • the cooling channel is additional to the inlet opening and the outlet openings further or too large openings through which the cooling fluid would escape too quickly. Such openings can occur, for example, as a result of casting core mounts due to casting technology.
  • FIG. 1 shows an internally cooled blade 110 of a turbomachine with a recess 121 according to the invention and one according to the invention in the recess arranged insertion element 120.
  • the blade 110 shown is in the region of the Insert element 120 executed without a cover tape.
  • the one running in the blade 110 Cooling channel is not shown in Figure 1.
  • the recess 121 and the insertion element 120 are here approximately vertical in the area of the blade tip in an advantageous embodiment arranged to the blade height direction 118.
  • the Recess 121 and the insert element 120 in the area of maximum blade thickness in the Blade arranged and extend in the longitudinal direction of the blade only over a portion the shovel.
  • the recess 121 and the insert element 120 have a rectangular shape Cross section on.
  • the cross section considered here is the cross section perpendicular to Direction of insertion of the insertion element.
  • the dimensions of the recess 121 and the Insert elements 120 are expediently realized with one another as a press fit.
  • the insert element is fixed in the recess by means of soldering. This makes it in one simple and inexpensive way possible to insert the insert element in the recess fasten.
  • the outer contour of the insert element 120 is the blade profile contour adjusted at the location of the recess. As a result, trip hazards become Transitions in the contour of the blade avoided.
  • FIG. 2 the arrangement according to the invention of the insertion element 220 in the cutout 221 of the blade 210 is shown in perspective in a section through the blade 210.
  • the blade 210 which is hollow on the inside, has, in addition to a pressure-side and a suction-side wall 211, a top wall 212 which closes off the cavity inside the blade.
  • the cavity inside the blade serves here as a one-piece cooling channel 213 of the blade 210.
  • the cooling fluid 230 is fed to the blade through a feed opening in the blade root, not shown in the figure.
  • the insertion element 220 shown in FIG. 2 is arranged in the blade tip region approximately perpendicular to the blade height direction in the recess 221.
  • the recess 221 and the insert element 220 only extend over a partial area of the blade 210, whereas both the recess 221 and the insert element 220 extend continuously in the blade thickness direction from the pressure side to the suction side of the blade.
  • the outer contours of the insert element 220 are expediently adapted to the outer profile contours of the blade 210, and thus the pressure-side and suction-side blade profile contours.
  • the recess 221 and the insertion element 220 are each designed with a cross-section that is matched to one another and are joined together by means of an interference fit.
  • the flat top of the insert element 220 directly adjoins the inside of the blade of the top wall 212.
  • the insert element 220 in the illustrated embodiment of the invention has a plurality of grooves such that two grooves arranged separately from one another on the upper side of the insert element 220 form two flow channels 222 together with the top wall 212. These flow channels 222 thus run parallel to the top wall 212 along this.
  • the flow channels 212 are connected to the cooling channel 213 of the blade 210 via further openings 223 arranged in the front end face of the insertion element 220. Cooling fluid 230 can thus flow from the cooling channel 213 into the flow channels 222.
  • the illustrated flow channels 222 and the openings 223 are designed as rectangular grooves; the designs of the grooves are, however, basically freely selectable.
  • an outlet opening 224 realized as a through opening is arranged in the top wall 212 or in the side wall 211 for each flow duct 222.
  • FIG. 3 shows the arrangement of the passage opening 224 in the side wall 211 of the blade in FIG an enlargement.
  • the passage opening 224 is designed here as a bore and runs placed obliquely to the surface of the side wall 211.
  • the passage opening opens here at the closed end of the flow channel 222 in this.
  • the angle of attack of the Passage openings 224 were advantageously chosen here so that emerging fluid unites has as small a misalignment as possible to the main flow flowing around the blade. If the cooling fluid 230 in the blade 210 has a higher resting pressure than that Fluid flowing around the blade of the main flow, then flows out of the cooling channel 213 Flow channel 222 supplied cooling fluid through the passage openings 224 in the Main flow.
  • a continuous cooling fluid flow is thus formed through the Flow channels and the passage openings.
  • FIG. 4 shows a side view of a section through an internally cooled blade with a further embodiment of the insert element 320 arranged according to the invention in the recess 321.
  • the section runs in the center of the blade and shows, in addition to the cut top wall 312 of the blade, a section of the cooling channel 313 running in the blade.
  • the arrangement of the recess 321 was chosen here so that part of the recess 321 extends into the top wall 312.
  • the insertion element 320 inserted into the recess 321 is also partially fitted into the top wall 312 here.
  • the insert element 320 expediently has a rectangular cross section. The insert element is thus positioned in the recess by means of a positive connection.
  • the insert element and the cutout can also be designed with other cross sections, for example with oval, trapezoidal, rhomboidal or polygonal cross sections, which, however, are then in turn to be coordinated with one another.
  • the insert element 320 in the embodiment shown has two grooves, which are shown in the center in FIG. 4. The groove arranged on the upper side of the insert element, together with the adjacent top wall 312, forms a flow channel 322 running parallel to the top wall on the underside of the top wall. This flow channel 322 is via the opening 323 through the second one, which is arranged on the end face of the insert element 320 Groove is formed, connected to the cooling channel 313.
  • the opening 323 could also be designed as a bore provided in the insertion element.
  • a passage opening 324 is made in the top wall 312 by means of an obliquely positioned bore. This passage opening 324 opens into the end of the flow channel 322, which is closed toward the cooling channel. Cooling fluid 330 flows from the cooling channel 313 via the flow channel 322 arranged in the insertion element 320 into the passage opening 324 and from there onto the top of the top wall 312 and thus into the main flow flowing around the blade. By means of the cooling fluid 330 guided in the flow channel 322, a targeted cooling of the wall adjoining the flow channel 322 is established. Furthermore, the passage opening 324 can be designed with a larger cross section due to the upstream arrangement of the flow channel 322 and the pressure loss occurring in the flow channel 322 compared to an arrangement without an upstream flow channel. This leads to a lower risk of clogging the passage openings during the operation of a turbomachine due to foreign particles.
  • FIG. 5 Another embodiment of the invention is shown in Figure 5 in a section through a internally cooled shovel shown.
  • the cooling channel shown here is by a Partition 417 divided into two sub-channels 415, 416.
  • the arrangement according to the invention of the insert element 420 in the recess 421 of the blade in the one shown here Implementation of the invention corresponds to the arrangement according to Figure 4. This correspondence limits the freely and independently selectable configurations of the Invention in Figures 4 and 5 is not a.
  • this flows out Cooling fluid 430 does not enter the main flow, but is introduced by means of the insertion element 420 diverted from the first sub-channel 415 of the cooling channel into the second sub-channel 416.
  • the flow channel 422 arranged in the insertion element 420 is in each case by means of a Opening 423 connected to the respective sub-channels 415, 416. That in that Flow channel 422 along the top wall 412 from the first sub-channel 415 into the second Sub-channel 416 flowing cooling fluid 430 leads to a targeted cooling of the Cover wall 412.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen dienen der Führung eines Kühlfluides 230 in einer gekühlten Schaufel 210 einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine. Die Schaufel 210 weist hierbei zumindest einen in der Schaufel verlaufenden Kühlkanal 213 auf Erfindungsgemäß ist zumindest ein Einschubelement 220 in zumindest einer Aussparung 221 der Schaufel 210 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung grenzt das in der Aussparung 221 angeordnete Einschubelement 220 unmittelbar an die Deckwand 212 und/oder zumindest eine Seitenwand 211 der Schaufel an. Ferner ist in dem Einschubelement zumindest ein Strömungskanal 222 angeordnet, der bevorzugt aus einer in dem Einschubelement 220 angeordneten Nut und der unmittelbar angrenzenden Deckwand 212 und/oder Seitenwand 211 gebildet wird. Der Strömungskanal 222 ist mittels zumindest einer Öffnung 223 mit dem Kühlkanal 213 verbunden. Darüber hinaus strömt das dem Strömungskanal 222 zugeführte Kühlfluid 230 durch eine Durchlaßöffnung 224 in der Deckwand 212 und/oder der Seitenwand 211 in die die Schaufel umströmende Hauptströmung ab. Eine typische Ausführung der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Führung der Strömung eines Kühlfluides in einem Kühlkanal einer innengekühlten Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine.
Stand der Technik
Der Wirkungsgrad von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen, kann über eine Erhöhung des Druckes und der Temperatur des Fluides als den Kreisprozeß bestimmende Parameter verbessert werden.
Die im Betrieb von Turbomaschinen heutzutage üblichen Fluidtemperaturen liegen insbesondere im Turbineneintrittsbereich bereits deutlich über den zulässigen Materialtemperaturen der Bauteile. Vor allem die Beschaufelung der Turbine ist hierbei unmittelbar der heißen Fluidströmung ausgesetzt. Die durch die Wärmeleitung des Materials bedingte Wärmeabfuhr der Turbinenschaufeln ist in der Regel nicht ausreichend, um eine Übertemperatur der Schaufeln zu vermeiden. Zu hohe Materialtemperaturen führen zunächst zu einem Rückgang der Festigkeitswerte des Werkstoffs. Hierbei kommt es oftmals zur Rißbildung in Bauteilen. Im Falles des Überschreitens der Schmelztemperatur des Werkstoffs kommt es darüber hinaus zu einer lokalen oder auch vollständigen Zerstörung des Bauteils. Um diese fatalen Folgen zu vermeiden, ist es somit erforderlich, insbesondere die Turbinenschaufeln einer Turbomaschine zusätzlich zu kühlen.
Als ein heutzutage übliches Kühlverfahren zur Kühlung von Schaufeln mittels eines Kühlfluides, zumeist Kühlluft, kommt vorwiegend die sogenannte Konvektionskühlung zum Einsatz. Hierbei wird das Kühlfluid durch die jeweils hohl ausgebildeten oder mit Kühlkanälen versehenen Schaufeln geleitet. Infolge der niedrigeren Temperatur des Kühlfluides im Vergleich zur Temperatur des Schaufelmaterials kommt es infolge erzwungener Konvektion in den Kühlkanälen zu einem Wärmeübergang zwischen dem Schaufelmaterial und dem Kühlfluid. Bei einer effizienten Kühlung liegt die sich einstellende Materialtemperatur somit unter der maximal zulässigen Temperatur des Schaufelwerkstoffs.
Das Kühlfluid strömt am Ende des Kühlkanals zumeist über eine oder mehrere Öffnungen in der Schaufelwand in die Hauptströmung aus. Oftmals wird das Kühlfluid aber auch am Ende des Kühlkanal in eine weitere, interne Kammer geleitet und gelangt von dort in einen weiteren Kühlkanal oder auch in die Hauptströmung.
Ein weiteres Verfahren zur Kühlung von Schaufeln stellt die sogenannte Filmkühlung dar. Hierbei wird ein Kühlfluid, zumeist ebenso Kühlluft, das in Kühlkanälen zugeführt wird, durch Öffnungen in der Schaufel auf die Schaufeloberfläche ausgeblasen. Das Kühlfluid bildet hierbei eine einem Fluidfilm ähnliche Trennschicht zwischen der Schaufelwand und dem heißen Strömungsfluid aus. Somit kommt es zu keinem direkten Wärmeübergang zwischen dem heißen Fluid der Hauptströmung und der Schaufel.
Beide Verfahren weisen nachteilig auf, daß die Schaufel nicht überall gleichmäßig gekühlt wird. Im Falle der Konvektionskühlung ist die Wärmeübertragung direkt abhängig von den Strömungsverhältnissen in den Kühlkanälen. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlfluides erhöhen die Wärmeübertragung. Insbesondere Bereiche in der Schaufelspitze sind hierbei oftmals benachteiligt, da sich hier insbesondere längs der die Schaufel abschließenden Deckwand Bereiche mit nur sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlfluides oder auch Totwassergebiete ergeben. Diese Nachteile konnten bisher nur mittels sehr komplizierter Verläufe der Kühlkanäle in der Schaufel ausgeglichen werden. Die Herstellung solcher Schaufeln ist äußerst aufwendig und somit teuer. Aufgrund der gießtechnischen Herstellung der Schaufeln verbleiben überdies in der Regel zudem eine oder mehrere Öffnungen in den Schaufelwänden, die während des Gießens zur Fixierung des Gießkerns erforderlich waren.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömung eines Kühlfluides einer gekühlten Schaufel einer Turbomaschine zu führen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Führung des Kühlfluides zumindest ein Einschubelement in zumindest einer Aussparung der Schaufel angeordnet ist. Die Schaufel weist neben zumindest einem in der Schaufel verlaufenden Kühlkanal zumindest eine Zuführöffnung zur Zuführung von Kühlfluid in den Kühlkanal und darüber hinaus zumindest eine weitere Öffnung auf. Die Aussparung und das Einschubelement erstrecken sich in Schaufellängsrichtung nur über einen Teilbereich der Schaufel. Das Einschubelement ragt hierbei zumindest teilweise in zumindest einen Kühlkanal der Schaufel. Infolge der Anordnung des Einschubelements ergibt sich ein lokal veränderter Verlauf des Kühlkanals und somit eine lokal veränderte Führung des Kühlfluides in dem Kühlkanal. Es wurde gefunden, daß durch die Anordnung eines Einschubelements in einer Aussparung der Schaufel der Wärmeaustausch und somit die Bauteilkühlung in zuvor benachteiligten Wandbereichen verbessert wird.
Bevorzugt sind die Aussparung und das Einschubelement mit rechteckigem oder schlitzförmigem Querschnitt ausgeführt. Der zu betrachtende Querschnitt ist hierbei der Querschnitt senkrecht zur Einschubrichtung des Einschubelements. Besonders zweckmäßig ist es, die Abmessungen der Aussparung und des Einschubelements zueinander in Form einer Preßpassung auszuführen. Infolgedessen kann das Einschubelement mittels Formschluß in die Aussparung eingefügt werden. Zweckmäßig wird das Einschubelement oftmals auch gelötet. Ferner ist es von Vorteil, das Einschubelement senkrecht zur Schaufelhöhenrichtung in der Aussparung anzuordnen.
Sowohl die Aussparung als auch das Einschubelement erstrecken sich zweckmäßig von der Saugseite zur Druckseite der Schaufel. Insbesondere die Aussparung kann hierdurch fertigungstechnisch in einfacher Weise hergestellt und bearbeitet werden. Die äußere Kontur des Einschubelements ist vorteilhaft der Kontur des Schaufelprofils an der Stelle der Aussparung angepaßt. Somit werden stolperstellenähnliche Übergänge im Verlauf der Wandkontur der Schaufel vermieden. Derartige stolperstellenähnliche Übergänge würden zu höheren Strömungsverlusten der Hauptströmung der Turbomaschine führen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist zumindest das Einschubelement einen Absatz oder eine stetig verlaufende Querschnittsverminderung auf. Der Querschnitt des Einschubelements wird hierbei vorteilhaft in Einschubrichtung des Einschubelements in die Aussparung vermindert. Die Aussparung ist zweckmäßig in gleicher Weise ausgeführt, so daß das Einschubelement mittels Formschluß in die Aussparung eingefügt werden kann. Insbesondere bei Rotorschaufeln ist es besonders zweckmäßig, den Absatz so anzuordnen, daß der Querschnitt des Einschubelements entgegen der Drehrichtung des Rotors vermindert wird und der Formschluß zwischen dem Einschubelement und der Aussparung in dem Bereich der Querschnittsverminderung gegeben ist. Es stellte sich heraus, daß mit einer solchen Anordnung infolge der während einer Beschleunigung des Rotors auf das Einschubelement wirkenden Trägheitskräfte als auch der fluiddynamischen Druckkräfte des Strömungsfluides ein Lösen des Einschubelements in der Aussparung besonders gut verhindert wird.
Es ist besonders zweckmäßig, die Aussparung und das Einschubelement erfindungsgemäß so anzuordnen, daß das in der Aussparung angeordnete Einschubelement unmittelbar an die Deckwand und/oder zumindest eine Seitenwand der Schaufel angrenzt oder zumindest teilweise in die Deckwand und/oder die Seitenwand integriert ist. Das in dieser Weise angeordnete Einschubelement weist darüber hinaus vorteilhaft zumindest einen in dem Einschubelement angeordneten Strömungskanal auf. Bevorzugt ist hierzu in dem Einschubelement eine Nut so angeordnet, daß diese Nut zusammen mit der angrenzenden Deckwand und/oder einer angrenzenden Seitenwand der Schaufel den Strömungskanal bildet. Der Strömungskanal ist über zumindest eine Öffnung mit dem Kühlkanal verbunden und weist darüber hinaus vorzugsweise zumindest eine Auslaßöffnung auf. Üblicherweise ist der Strömungskanal hierbei mit einem kleineren Strömungsquerschnitt ausgeführt als der Kühlkanal. Es ist besonders zweckmäßig, die Auslaßöffnung des Strömungskanals als Durchlaßöffnung in der angrenzenden Deckwand und/oder einer angrenzenden Seitenwand auszuführen. Sofern der Kühlkanal keine weiteren Auslaßöffnungen aufweist, durchströmt somit das gesamte, dem Kühlkanal zugeführte Kühlfluid den Strömungskanal. Sind weitere Auslaßöffnungen des Kühlkanals vorhanden, so teilt sich der Kühlfluidmassenstrom entsprechend auf. Sofern in der Schaufel mehrere Kühlkanäle angeordnet sind oder der Kühlkanal in Teilkanäle unterteilt ist, kann die Auslaßöffnung des Strömungskanals auch zweckmäßig in einen weiteren Kühlkanal oder einen weiteren Teilkanal des Kühlkanals einmünden. Es stellte sich heraus, daß mittels eines derartigen Strömungskanals das Kühlfluid gezielt längs der angrenzenden Deckwand und/oder der angrenzenden Seitenwand geführt werden kann. Dies ermöglicht eine gezielte Kühlung von Wandbereichen, die zuvor schlecht oder gar nicht gekühlt waren. Darüber hinaus wurde gefunden, daß die Kühlwirkung des in einem derartigen Strömungskanal geführten Kühlfluides oftmals erhöht wird. Dies resultiert aus dem erhöhten Wärmeübergang infolge höherer Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Strömungskanals im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluides im Kühlkanal der Schaufel.
Besonders zweckmäßig sind in dem Strömungskanal Turbulatoren angeordnet, die zu einer Erhöhung des Turbulenzgrades des durch den Strömungskanal strömenden Kühlfluides führen. Hierdurch wird der Wärmenübergang des Kühlfluides auf die Seitenwände nochmals erhöht und die Kühlwirkung somit gesteigert. Als derartige Turbulatoren können beispielsweise einfache Querstege in dem Strömungskanal eingesetzt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, die Aussparung und das Einschubelement so anzuordnen, daß das in der Aussparung angeordnete Einschubelement unmittelbar an die Deckwand und/oder zumindest eine Seitenwand angrenzt oder zumindest teilweise in die Deckwand und/oder die Seitenwand integriert ist und hierbei zumindest eine Öffnung des Kühlkanals zumindest teilweise verschließt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kühlkanal zusätzlich zu der Einlaßöffnung und den Auslaßöffnungen weitere oder auch zu große Öffnungen aufweist, durch die das Kühlfluid zu rasch entweichen würde. Derartige Öffnungen können beispielsweise als Folge gießtechnisch bedingter Gießkernhalterungen auftreten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
eine perspektivische Ansicht einer Schaufel mit einer Aussparung im Bereich der Schaufelspitze und einem in der Aussparung angeordneten Einschubelement.
Fig. 2
einen perspektivischen Schnitt durch eine Schaufel mit einer Aussparung und einem in der Aussparung angeordneten, an die Deckwand der Schaufel angrenzenden Einschubelement und zwei in dem Einschubelement verlaufende Strömungskanäle.
Fig. 3
eine Vergrößerung des Strömungskanals und der Auslaßöffnung des Strömungskanals aus Fig. 2.
Fig. 4
einen Schnitt durch eine Schaufel in der Seitenansicht mit einem an die Deckwand der Schaufel angrenzenden Einschubelement, wobei das Einschubelement einen Strömungskanal aufweist, aus dem das Kühlfluid in die Hauptströmung ausströmt.
Fig. 5
einen Schnitt durch eine Schaufel in der Seitenansicht mit einem mehrteiligen, durch eine Zwischenwand unterteilten Kühlkanal und einem an die Deckwand der Schaufel angrenzenden Einschubelement, wobei das Einschubelement einen Strömungskanal aufweist, aus dem das Kühlfluid aus dem ersten Teilkanal des Kühlkanals in den zweiten Teilkanal des Kühlkanals strömt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine innengekühlte Schaufel 110 einer Turbomaschine mit einer erfindungsgemäßen Aussparung 121 und einem erfindunsgemäß in der Aussparung angeordnetem Einschubelement 120. Die dargestellte Schaufel 110 ist im Bereich des Einschubelements 120 deckbandlos ausgeführt. Der in der Schaufel 110 verlaufende Kühlkanal ist in Figur 1 nicht dargestellt. Die Aussparung 121 und das Einschubelement 120 sind hier im Bereich der Schaufelspitze in einer vorteilhaften Ausgestaltung in etwa senkrecht zur Schaufelhöhenrichtung 118 angeordnet. In der dargestellten Ausführung sind die Aussparung 121 und das Einschubelement 120 im Bereich maximaler Schaufeldicke in der Schaufel angeordnet und erstrecken sich in Schaufellängsrichtung nur über einen Teilbereich der Schaufel. Die Anordnung des Einschubelements und der Aussparung in einer Schaufel kann aber auch an einer anderen als der dargestellten Position der Schaufel erfolgen. Gemäß der Darstellung weisen die Aussparung 121 und das Einschubelement 120 einen rechteckigen Querschnitt auf. Der hierbei betrachtete Querschnitt ist der Querschnitt senkrecht zur Einschubrichtung des Einschubelements. Die Abmessungen der Aussparung 121 und des Einschubelements 120 sind hier zweckmäßig zueinander als Preßpassung realisiert. Ferner ist das Einschubelement in der Aussparung mittels Löten fixiert. Hierdurch ist es in einer einfachen und kostengünstigen Weise möglich, das Einschubelement in der Aussparung zu befestigen. Der äußere Konturverlauf des Einschubelements 120 ist der Schaufelprofilkontur an der Stelle der Aussparung angepaßt. Infolgedessen werden stolperstellenähnliche Übergänge in dem Konturverlauf der Schaufel vermieden.
In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung des Einschubelements 220 in der Aussparung 221 der Schaufel 210 in einem Schnitt durch die Schaufel 210 perspektivisch dargestellt. Die innen hohl ausgeführte Schaufel 210 weist neben einer druckseitigen und einer saugseitigen Seitenwand 211 eine den schaufelinneren Hohlraum abschließende Deckwand 212 auf. Der schaufelinnere Hohlraum dient hier als einteiliger Kühlkanal 213 der Schaufel 210. Das Kühlfluid 230 wird der Schaufel durch eine in der Figur nicht dargestellte Zuführöffnung im Schaufelfuß zugeführt.
Das in Figur 2 dargestellte Einschubelement 220 ist im Schaufelspitzenbereich näherungsweise senkrecht zur Schaufelhöhenrichtung in der Aussparung 221 angeordnet. In Schaufellängsrichtung erstreckt sich die Aussparung 221 und das Einschubelement 220 nur über einen Teilbereich der Schaufel 210, wohingegen sich sowohl die Aussparung 221 als auch das Einschubelement 220 in Schaufeldickenrichtung durchgängig von der Druckseite zus Saugseite der Schaufel erstrecken. Die schaufeläußeren Konturen des Einschubelements 220 sind zweckmäßig den äußeren Profilkonturen der Schaufel 210, somit der druckseitigen und der saugseitigen Schaufelprofilkontur, angepaßt. Die Aussparung 221 und das Einschubelement 220 sind jeweils mit einem aufeinander abgestimmten Querschnitt ausgeführt und mittels Preßpassung zusammengefügt. Die plan ausgeführte Oberseite des Einschubelements 220 grenzt hier unmittelbar an die schaufelinnere Seite der Deckwand 212 an. Darüber hinaus weist das Einschubelement 220 in der dargestellten Ausführung der Erfindung mehrere Nuten dergestalt auf, daß zwei auf der Oberseite des Einschubelements 220 getrennt voneinander angeordnete Nuten zusammen mit der Deckwand 212 zwei Strömungskanäle 222 bilden. Diese Strömungskanäle 222 verlaufen somit parallel zur Deckwand 212 entlang dieser. Die Strömungskanäle 212 sind über weitere, in der vorderen Stirnseite des Einschubelements 220 angeordnete Öffnungen 223 mit dem Kühlkanal 213 der Schaufel 210 verbunden. Kühlfluid 230 kann somit aus dem Kühlkanal 213 in die Strömungskanäle 222 einströmen. Die dargestellten Strömungskanäle 222 und die Öffnungen 223 sind zwar als Rechteck-Nuten ausgeführt; die Ausführungen der Nuten sind aber grundsätzlich frei wählbar. Um ein Abströmen des aus dem Kühlkanal 213 zugeführten Kühlfluides 230 aus den Strömungskanälen 222 zu ermöglichen, ist je Strömungskanal 222 eine als Durchlaßöffnung realisierte Auslaßöffnung 224 in der Deckwand 212 oder in der Seitenwand 211 angeordnet.
Figur 3 zeigt die Anordnung der Durchlaßöffnung 224 in der Seitenwand 211 der Schaufel in einer Vergrößerung. Die Durchlaßöffnung 224 ist hier als Bohrung ausgeführt und verläuft schräg angestellt zur Oberfläche der Seitenwand 211. Die Durchlaßöffnung mündet hierbei am geschlossenen Ende des Strömungskanals 222 in diesen. Der Anstellwinkel der Durchlaßöffnungen 224 wurde hier vorteilhaft so gewählt, daß austretendes Fluid einen möglichst geringen Fehlwinkel zu der die Schaufel umströmenden Hauptströmung aufweist. Weist das Kühlfluid 230 in der Schaufel 210 einen höheren Ruhedruck auf, als das die Schaufel umströmende Fluid der Hauptströmung, so strömt das aus dem Kühlkanal 213 dem Strömungskanal 222 zugeführte Kühlfluid durch die Durchlaßöffnungen 224 in die Hauptströmung aus. Es bildet sich somit ein kontinuierlicher Kühlfluidstrom durch die Strömungskanäle und die Durchlaßöffnungen aus. Hierbei kommt es zu einem Wärmeaustausch des Kühlfluides 230 mit der an den Strömungskanal 222 angrenzenden Wandung (Deckwand 212 und/oder Seitenwand 211) und somit zu einer gezielten Kühlung der angrenzenden Wandung. Aufgrund des kleineren Strömungsquerschnittes des Strömungskanals 222 im Vergleich zu dem Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 213 durchströmt das Kühlfluid 230 darüber hinaus den Strömungskanal zudem mit einer erhöhten Geschwindigkeit. Diese höhere Strömungsgeschwindigkeit führt zu einer zusätzlichen Erhöhung des Wärmeübergangs und somit zu einer verbesserten Kühlung der Wandung.
Figur 4 zeigt in einer Seitenansicht einen Schnitt durch eine innengekühlte Schaufel mit einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäß in der Aussparung 321 angeordneten Einschubelements 320. Der Schnitt verläuft schaufelmittig und zeigt neben der geschnitten dargestellten Deckwand 312 der Schaufel einen Ausschnitt des in der Schaufel verlaufenden Kühlkanals 313.
Die Anordnung der Aussparung 321 wurde hier so gewählt, daß sich ein Teil der Aussparung 321 in die Deckwand 312 hinein erstreckt. Das in die Aussparung 321 eingefügte Einschubelement 320 ist hier ebenso anteilig in die Deckwand 312 eingepaßt. In gleicher Weise wie die Aussparung 321 weist das Einschubelement 320 zweckmäßig einen rechteckigen Querschnitt auf. Das Einschubelement wird somit mittels Formschluß in der Aussparung positioniert. Grundsätzlich kann das Einschubelement und die Aussparung aber auch mit anderen Querschnitten, beispielsweise mit ovalen, trapezförmigen, rhombenförmigen oder auch vieleckförmigen Querschnitten, ausgeführt sein, die dann jedoch jeweils wiederum aufeinander abzustimmen sind. Darüber hinaus weist das Einschubelement 320 in der dargestellten Ausführung zwei Nuten auf, die in der Figur 4 mittig geschnitten dargestellt sind. Die auf der Oberseite des Einschubelements angeordnete Nut bildet hierbei zusammen mit der angrenzenden Deckwand 312 einen parallel zur Deckwand an der Unterseite der Deckwand verlaufenden Strömungskanal 322. Dieser Strömungskanal 322 ist über die Öffnung 323, die durch die zweite, an der Stirnseite des Einschubelements 320 angeordnete Nut gebildet wird, mit dem Kühlkanal 313 verbunden. Ebenso könnte die Öffnung 323 auch als in dem Einschubelement vorgesehene Bohrung ausgeführt sein. Des weiteren ist in der Deckwand 312 mittels einer schräg angestellten Bohrung eine Durchlaßöffnung 324 angebracht. Diese Durchlaßöffnung 324 mündet am zum Kühlkanal hin geschlossenen Ende des Strömungskanals 322 in diesen. Kühlfluid 330 strömt aus dem Kühlkanal 313 über den in dem Einschubelement 320 angeordneten Strömungskanal 322 in die Durchlaßöffnung 324 und von dort auf die Oberseite der Deckwand 312 und somit in die die Schaufel umströmende Hauptströmung. Mittels des in dem Strömungskanal 322 geführten Kühlfluides 330 stellt sich eine gezielte Kühlung der an den Strömungskanal 322 angrenzenden Wandung ein. Ferner kann die Durchlaßöffnung 324 aufgrund der vorgeschalteten Anordnung des Strömungskanals 322 und des in dem Strömungskanal 322 entstehenden Druckverlustes im Vergleich zu einer Anordnung ohne vorgeschalteten Strömungskanal mit einem größeren Querschnitt ausgeführt werden. Dies führt zu einer geringeren Gefahr des Verstopfens der Durchlaßöffnungen während des Betriebs einer Turbomaschine aufgrund von Fremdpartikeln.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in Figur 5 in einem Schnitt durch eine innengekühlte Schaufel abgebildet. Der dargestellte Kühlkanal ist hier durch eine Zwischenwand 417 in zwei Teilkanäle 415, 416 unterteilt. Die erfindungsgemäße Anordnung des Einschubelements 420 in der Aussparung 421 der Schaufel in der hier dargestellten Ausführung der Erfindung entspricht der Anordnung gemäß Figur 4. Diese Entsprechung schränkt hierbei die frei und unabhängig voneinander wählbaren Ausgestaltungen der Erfindung in den Figuren 4 und 5 nicht ein. Im Unterschied zu Figur 4 entströmt das Kühlfluid 430 nicht in die Hauptströmung, sondern wird mittels des Einschubelements 420 aus dem ersten Teilkanal 415 des Kühlkanals in den zweiten Teilkanal 416 umgelenkt. Der in dem Einschubelement 420 angeordnete Strömungskanal 422 ist hierzu jeweils mittels einer Öffnung 423 mit den jeweiligen Teilkanälen 415, 416 verbunden. Das in dem Strömungskanal 422 längs der Deckwand 412 aus dem ersten Teilkanal 415 in den zweiten Teilkanal 416 strömende Kühlfluid 430 führt hierbei zu einer gezielten Kühlung der Deckwand 412.
Bezugszeichenliste
110,210
Schaufel (blade)
211,311,411
Seitenwand (side wall)
212,312,412
Deckwand (cover wall)
213,313
Kühlkanal (cooling channel)
415,416
Teilkanäle eines mehrteiligen Kühlkanals (partial channel of a composite cooling channel)
417
Zwischenwand (partition wall)
118
Schaufelhöhenrichtung (blade height direction)
120,220,320,420
in einer Aussparung angeordnetes Einschubelement (drawer inserted in a slot)
121,221,321
Aussparung (slot)
222,322,422
Strömungskanal (flow channel)
223,323,423
Öffnung zwischen dem Strömungskanal und dem Kühlkanal (opening between the flow channel and the cooling channel)
224,324
Auslaßöffnung bzw. Durchlaßöffnung (outlet)
230,330,430
Kühlfluid (cooling fluid)

Claims (10)

  1. Schaufel (210) einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine,
    mit einem in der Schaufel verlaufenden Kühlkanal (213),
    durch den ein Kühlfluid (230) strömt,
    wobei der Kühlkanal (213) neben einer Zuführöffnung zumindest eine weitere Öffnung (224) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zur Führung des Kühlfluides (230) zumindest ein Einschubelement (220) in zumindest einer Aussparung (221) der Schaufel angeordnet ist.
  2. Schaufel nach Anspruch 1,
    bei der das Einschubelement (220) und die Aussparung (221) mit rechteckigem oder schlitzförmigem Querschnitt ausgeführt sind.
  3. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei der das Einschubelement (120) und die Aussparung (121) senkrecht oder näherungsweise senkrecht zur Schaufelhöhenrichtung (118) angeordnet sind.
  4. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei der das Einschubelement (120) und die Aussparung (121) einen Absatz oder eine stetig verlaufende Querschnittsverminderung aufweisen.
  5. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei der sich das Einschubelement und die Aussparung durchgängig von der Saugseite zur Druckseite der Schaufel erstrecken, wobei die äußere Kontur des Einschubelements dem Schaufelprofil angepaßt ist.
  6. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei der das in der Aussparung angeordnete Einschubelement unmittelbar an die Deckwand und/oder eine Seitenwand oder beide Seitenwände der Schaufel angrenzt und bei der das Einschubelement zumindest eine Öffnung des Kühlkanals zumindest teilweise verschließt.
  7. Schaufel nach einem der vorigen Ansprüche,
    bei der das in der Aussparung (221) angeordnete Einschubelement (220) unmittelbar an die Deckwand (212) und/oder eine Seitenwand (211) oder beide Seitenwände der Schaufel angrenzt und
    bei der in dem Einschubelement (220) zumindest ein Strömungskanal (222) angeordnet ist,
    wobei dieser Strömungskanal (222) über zumindest eine Öffnung (223) mit dem Kühlkanal (213) verbunden ist, sowie zumindest eine Auslaßöffnung (224) aufweist.
  8. Schaufel nach Anspruch 7,
    bei der der Strömungskanal (222) mittels einer in dem Einschubelement angeordneten Nut und der angrenzenden Deckwand (212) und/oder einer angrenzenden Seitenwand (211) der Schaufel gebildet ist.
  9. Schaufel nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    bei der die Auslaßöffnung (224) als Durchlaßöffnung in der angrenzenden Deckwand (212) und/oder einer angrenzenden Seitenwand (211) der Schaufel ausgeführt ist.
  10. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9,
    bei der in dem Strömungskanal Turbulatoren angeordnet sind.
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