EP1006263B1 - Schaufelkühlung - Google Patents

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EP1006263B1
EP1006263B1 EP98811184A EP98811184A EP1006263B1 EP 1006263 B1 EP1006263 B1 EP 1006263B1 EP 98811184 A EP98811184 A EP 98811184A EP 98811184 A EP98811184 A EP 98811184A EP 1006263 B1 EP1006263 B1 EP 1006263B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
cooling
channel
drawer
flow
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
EP98811184A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1006263A1 (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
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Priority to DE59810560T priority Critical patent/DE59810560D1/de
Priority to EP98811184A priority patent/EP1006263B1/de
Priority to CN99125857.6A priority patent/CN1261673C/zh
Priority to US09/450,729 priority patent/US6328532B1/en
Publication of EP1006263A1 publication Critical patent/EP1006263A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1006263B1 publication Critical patent/EP1006263B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • 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 an internally cooled blade of a turbomachine. especially a gas turbine, with guidance from Flow of a cooling fluid in a cooling channel.
  • turbomachinery especially gas turbines
  • the efficiency of turbomachinery, especially gas turbines, can about an increase in pressure and temperature of the fluid as a parameter determining the cycle process improved become.
  • 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 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.
  • 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.
  • the invention has for its object the flow of a Cooling fluids of a cooled blade of a turbomachine to run along a top wall and / or side wall in such a way that its cooling effect is increased.
  • At least one insertion element is arranged in at least one recess in the blade for guiding the cooling fluid, and this insertion element is directly adjacent to the top wall and / or one side wall or both side walls of the blade and at least one flow channel is arranged in the insertion element which is connected to the cooling channel via at least one opening and has at least one outlet opening, the flow channel being formed by means of a groove arranged in the insertion element and the adjacent top wall and / or an adjacent side wall of the blade.
  • the flow channel is usually designed with a smaller flow cross section than the cooling channel. It 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.
  • the cooling duct has no further outlet openings, the entire cooling fluid supplied to the cooling duct thus flows through the flow duct. 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 the cooling fluid can be guided in a targeted manner along the adjacent top wall and / or the adjacent side wall by means of such a flow channel. This enables targeted cooling of wall areas that were previously poorly or not at all cooled. In addition, it has been found that the cooling effect of the cooling fluid guided in such a flow channel is often increased.
  • Turbulators which lead to an increase in the degree of turbulence of the cooling fluid flowing through the flow channel are particularly expediently arranged in the flow channel. As a result, the heat transfer of the cooling fluid to the side walls is increased again and the cooling effect is thus increased. Simple transverse webs, for example, can be used as such turbulators in the flow channel.
  • 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 design the dimensions of the cutout and of the insertion element with respect to one another in the form of an interference fit. As a result, the insert element can be inserted into the recess by means of a positive fit. The insertion element is often also soldered appropriately. Furthermore, it is advantageous to arrange the insertion element perpendicular to the blade height direction in the recess. In an advantageous embodiment, at least the insertion element has a shoulder or a continuously reducing cross-section.
  • the cross section of the insertion element is advantageously reduced in the insertion direction of the insertion element into the recess.
  • the cutout is expediently designed in the same way, so that the insert element can be inserted into the cutout by means of a positive fit.
  • Both the recess and the insert element expediently extend from the suction side to the pressure side of the blade.
  • 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.
  • Figure 1 shows an internally cooled blade 110 in a turbomachine with a recess 121 according to the invention and a Insert element arranged according to the invention in the recess 120.
  • the illustrated blade 110 is in the area of Insert element 120 executed without a cover tape.
  • the Indian The cooling channel running in blade 110 is not shown in FIG. 1.
  • the recess 121 and the insertion element 120 are here in the area of the blade tip in an advantageous Design approximately perpendicular to the blade height direction 118 arranged.
  • the recess 121 and the insertion element 120 in the area of maximum Blade thickness arranged in the blade and extend in the longitudinal direction of the blade only over a portion of the Shovel.
  • the arrangement of the insert element and the recess in a shovel can also be used on another the position of the blade shown.
  • the illustration shows the recess 121 and the insertion element 120 has a rectangular cross section.
  • the one looked at here Cross section is the cross section perpendicular to the direction of insertion of the insert element.
  • the dimensions of the recess 121 and the insert element 120 are expedient to one another here realized as a press fit.
  • the insert element fixed in the recess by soldering. hereby it is possible in a simple and inexpensive way to fix the insert element in the recess.
  • the exterior The contour of the insert element 120 is the blade profile contour adjusted at the point of the recess. Consequently become stumbling point-like transitions in the contour course the shovel 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 extend only 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 insert element 220 are each designed with a cross-section which 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, which are 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 222 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 passage 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 Sidewall 211 of the blade in an enlargement.
  • the Through opening 224 is designed as a bore and runs inclined to the surface of the side wall 211.
  • the passage opening opens at the closed end of the Flow channel 222 in this.
  • the angle of attack of the passage opening 224 was advantageously chosen here so that emerging Fluid the smallest possible misalignment to the has the main flow flowing around the blade.
  • Cooling fluid 230 in the blade 210 has a higher resting pressure as the main flow fluid flowing around the blade, this flows from the cooling channel 213 to the flow channel 222 added cooling fluid through the passage openings 224 in the mainstream. A continuous one is thus formed Cooling fluid flow through the flow channels and through openings out.
  • 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 such that a part of the recess 321 extends into the top wall 312.
  • the insertion element 320 inserted into the recess 321 is also proportionally 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 fit.
  • 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 illustrated embodiment has two grooves, which are shown in the middle 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 312 on the underside of the top wall 312. This flow channel 322 is via the opening 323 through the second one on the front side of the insert element 320 arranged groove is formed, connected to the cooling channel 313.
  • the opening 323 could also be designed as a bore provided in the insert element 320.
  • 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 flow channel 322 at the end of the flow channel 322 which is closed toward the cooling channel 313.
  • 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.
  • a targeted cooling of the wall adjoining the flow channel 322 is established.
  • 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 low risk of clogging the passage openings during the operation of a turbomachine due to foreign particles.
  • FIG Cut through an internally cooled shovel The The cooling duct shown here is through an intermediate wall 417 divided into two sub-channels 415, 416.
  • the inventive Arrangement of the insert element 420 in the recess 421 of the Blade in the embodiment of the invention shown here corresponds to the arrangement according to FIG. 4. This correspondence limits the freely and independently selectable Embodiments of the invention in FIGS. 4 and 5 not a.
  • the cooling fluid flows out 430 not in the main flow, but is by means of the insertion element 420 from the first sub-channel 415 of the cooling channel deflected into the second subchannel 416.
  • the one in the insert element For this purpose, 420 arranged flow channel 422 is by means of an opening 423 with the respective subchannels 415, 416 connected. That in the flow channel 422 along the top wall 412 from the first subchannel 415 into the second subchannel 416 flowing cooling fluid 430 leads to a targeted Cooling the top wall 412.

Landscapes

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

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine innengekühlte Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit Führung der Strömung eines Kühlfluides in einem Kühlkanal.
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 Kühlkanals 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.
US 4177010 hat eine filmgekühlte Laufschaufel zum Gegenstand, welche innerhalb der Kühlkanäle mit einem Einsatz ausgerüstet ist, welcher eine Doppelfunktion erfüllt. Zum einen schliesst er Öffnungen, die herstellungsbedingt während des Giessens in den Kanalwänden verbleiben, und zum anderen übernimmt er die Aufteilung des Kühlfluids auf einzelne voneinander getrennte Zweige der Kühlkanäle. Auf diese Weise gelingt es, die getrennten Zweige, die Filmkühlbohrungen in unterschiedlichen Bereichen der Schaufel speisen, welche unterschiedlichen Umgebungsdrücken ausgesetzt sind, mit Kühlfluid unterschiedlichen Drucks zu beaufschlagen mit der Folge einer insgesamt gleichmässigeren Filmkühlwirkung.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömung eines Kühlfluides einer gekühlten Schaufel einer Turbomaschine längs einer Deckwand und/oder Seitenwand derart zu führen, dass dessen Kühlwirkung erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Führung des Kühlfluides zumindest ein Einschubelement in zumindest einer Aussparung der Schaufel angeordnet ist, und dieses Einschubelement unmittelbar an die Deckwand und/oder eine Seitenwand oder beide Seitenwände der Schaufel angrenzt und in dem Einschubelement zumindest ein Strömungskanal angeordnet ist, welcher über zumindest eine Öffung mit dem Kühlkanal verbunden ist sowie zumindest eine Auslassöffnung aufweist, wobei der Strömungskanal mittels einer in dem Einschubelement angeordneten Nut und der angrenzenden Deckwand und/oder einer angrenzenden Seitenwand der Schaufel gebildet ist.
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 Kühlfluids oftmals erhöht wird. Dies resultiert aus dem erhöhten Wärmeübergang infolge höherer Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Strömungskanals im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids 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 Wärmeübergang des Kühlfluides auf die Seitenwände nochmals erhöht und die Kühlwirkung somit gesteigert. Als derartige Turbulatoren können beispielsweise einfache Querstege in den Strömungskanal eingesetzt werden.
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.
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.
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 Einschubelementes 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.
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, 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 Zeichnungen
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 in einer Turbomaschine mit einer erfindungsgemässen Aussparung 121 und einem erfindungsgemäss in der Aussparung angeordneten 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 zur 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 222 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 Kühlflluides 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 Durchlassöffnung 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 zugefügte 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 recheckigen Querschnitt auf. Das Einschubelement wird somit mittels Formschluss in der Aussparung positioniert. Grundsätzlich können 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 312 an der Unterseite der Deckwand 312 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 320 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 313 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 geringen 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 Einschub- element (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 (6)

    1. Schaufel (_10) einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem in der Schaufel verlaufenden Kühlkanal (_13), durch den Kühlfluid strömt, wobei der Kühlkanal (_13) neben einer Zuführöffnung zumindest eine weitere Öffnung (_24) aufweist und zur Führung des Kühlfluids (_30) zumindest ein Einschubelement (_20) in zumindest einer Aussparung (_21) der Schaufel angeordnet ist, und dieses Einschubelement (_20) unmittelbar an die Deckwand (_12) und/oder eine Seitenwand (_11) oder beide Seitenwände (_11) der Schaufel (_10) angrenzt und bei der in dem Einschubelement (_20) zumindest ein Strömungskanal (_22) angeordnet ist, welcher Strömungskanal (_22) über zumindest eine Öffnung (_23) mit dem Kühlkanal (_13) verbunden ist sowie zumindest eine Auslassöffnung (_24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (_22) mittels einer in dem Einschubelement (_20) angeordneten Nut und der angrenzenden Deckwand (_12) und/oder einer angrenzenden Seitenwand (_11) der Schaufel (_10) gebildet ist.
    2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (_24) als Durchlassöffnung in der angrenzenden Deckwand (12) oder Seitenwand (_11) der Schaufel (_10) ausgeführt ist.
    3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschubelement (_20) und die Aussparung (_21) mit rechteckigem oder schlitzförmigem Querschnitt ausgeführt sind.
    4. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschubelement (_20) und die Aussparung (_21) senkrecht oder näherungsweise senkrecht zur Schaufelhöhenrichtung (118) angeordnet sind.
    5. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschubelement (_20) und die Aussparung (_21) einen Absatz oder eine stetig verlaufende Querschnittsverminderung aufweisen.
    6. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Einschubelement (_20) und die Aussparung (_21) durchgängig von der Saugseite zur Druckseite der Schaufel (_10) erstrecken, und die äussere Kontur des Einschubelements (_20) dem Schaufelprofil angepasst ist.
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