EP1101901A1 - Turbine blade and method of manufacture for the same - Google Patents

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Publication number
EP1101901A1
EP1101901A1 EP99122757A EP99122757A EP1101901A1 EP 1101901 A1 EP1101901 A1 EP 1101901A1 EP 99122757 A EP99122757 A EP 99122757A EP 99122757 A EP99122757 A EP 99122757A EP 1101901 A1 EP1101901 A1 EP 1101901A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
turbine blade
cooling
blade according
cooling fluid
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.)
Withdrawn
Application number
EP99122757A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Roland Dr. Liebe
Günther Dr. Walz
Harald Hoell
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens 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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP99122757A priority Critical patent/EP1101901A1/en
Priority to PCT/EP2000/010947 priority patent/WO2001036791A1/en
Publication of EP1101901A1 publication Critical patent/EP1101901A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade, in particular Gas turbine blade, which is one of a hot action fluid flowed outside wall, which may have a multi-part Surrounding cavity, which is flowed through by a cooling fluid is, the outer wall over the circumference of the airfoil area in a cross section through the airfoil area the turbine blade is of different thickness, and a method for the production of a cast turbine blade, in particular gas turbine blade, according to the generic term of Claim 27.
  • Action fluid heated to a high temperature a hot gas, operated turbine, especially a gas turbine
  • the ones from are called action fluid, first flow guide and rotor blades are therefore used internally to avoid damage cooled, in particular by means of a cooling fluid flowing through it, for example a cooling gas or a slightly overheated one Cooling steam.
  • U.S. Patent 5,320,483 discloses how the cooling fluid is in the form of Cooling steam in a closed circuit in the turbine blade is initiated and after flowing through with various flow chambers and inner walls, internal cavity of the turbine blade again is brought out.
  • the cavity is from the outside wall of the Turbine blade surrounded by the hot action fluid of the Turbine is flowing.
  • the outer wall essentially has one constant thickness by considering a cross section through the airfoil area.
  • the object of the present invention is an internally cooled Specify turbine blade with the above characteristics, which has an extended service life compared to conventional turbine blades even under very high loads, with low Manufacturing effort is high, as well as high in a turbine Performance and efficiency levels with low NOx emissions enabled and - as a sub-task - a suitable one Production method.
  • the task directed at the turbine blade becomes thereby solved that the thickness of the outer wall at least over a Partial circumference of the airfoil area in accordance with the course the external heat transfer coefficient on the outside of the Outer wall and the course of the internal heat transfer coefficient the inside of the outer wall is continuous so that predetermined temperature threshold values on the outer wall and / or predetermined temperature gradients between predetermined ones Places on the outer wall must not be exceeded.
  • the outer wall of the turbine blade is exposed to the hot action fluid not flowed around equally fast and equally strong everywhere, resulting in locally very different heat inputs or heat transfer leads action fluid / outer wall.
  • the external heat transfer coefficient is a measure of this heat transfer.
  • a heat transfer coefficient indicates the amount of heat which passes per unit of time and area. The higher the heat transfer coefficient, the greater the heat transfer, for example by convection or radiation in the material brought in warmth. With an increased external heat transfer the cooling requirement increases at this point on the airfoil.
  • the heat transfer includes the one hand Heat transfer from the hot action fluid to the outside of the Outer wall and from the inside of the outer wall to the cooling fluid. Furthermore, the heat conduction in the system of equations described inside the outer wall. A thinner outer wall increases heat conduction. As boundary conditions for the solution of the system of equations are the temperature threshold values, the temperature gradients are set.
  • the temperature threshold corresponds to the Rule of an oxidation limit of the outer wall material, the temperature gradient is a measure of due to different Temperatures between two places on the outer wall thermal stresses. To ensure a long service life the turbine blade may have a critical value that of the material, the composition of all involved Voltages and depends on the operating load spectrum, not exceed.
  • the local can increased cooling requirements in places with high external heat transfer coefficients be met in a simple manner.
  • the Outer wall can be made even thicker, which is stability elevated. Due to the adjustment of the outer wall thickness achieved, individually adapted cooling effect can be complicated trained channels inside the cavity become. This simplifies the manufacture of the turbine blade and lowers costs.
  • the required Cooling fluid mass flow reduced by the adapted cooling which improves the efficiency and performance of the turbine.
  • the outer wall has a multilayer structure is and a thin ceramic on the outside wall Protective layer and inside has a metal wall and that one The temperature gradient between the Outside and the inside of the metal wall.
  • the multilayer structure can the outer wall with a suitable Choice of layers of different tasks and requirements fulfill.
  • the metal wall especially from a high-temperature resistant Metal alloy, ensures in addition to sufficient mechanical strength and good thermal elasticity what due to the changing mechanical loads and temperatures necessary is.
  • a ceramic protective layer protects the metal wall from excessive temperature loads or prevented an oxidation or corrosion.
  • the protective layer should among other things, prevent that by the inflow through the hot action fluid on the bucket outer wall caused highest temperature a material-specific maximum value exceeds, or an emerging temperature gradient between the outside of the outside wall and the inside the outer wall exceeds a certain critical value.
  • Usual high-performance blades are sufficient thick ceramic protective layers are instructed for thermal insulation, so that temperature and voltage limits can be maintained.
  • the heat transfer coefficient is set and the temperature threshold and the temperature gradient between the Outside and inside of the metal wall predetermined Do not exceed values.
  • These values are according to the corresponding ones Requirements of the protective layer or the boundary layer designed between protective layer and metal wall. So that's enough it, a very compared to usual protective layer thicknesses apply a much thinner protective layer to the metal wall.
  • the thinner formation of the layer also improves the Adhesion of the protective layer on the blade surface and prevents a local chipping because the different thermal expansion of the materials due to the thin layer thickness no longer have such an impact.
  • this thin layer is much easier to apply, among other things because they have lower requirements with regard to homogeneity. This reduces the manufacturing costs and at the same time increases the service life the shovel.
  • the temperature threshold on the entire outer wall and / or predetermined temperature gradients over the entire Outer wall not be exceeded are particularly good conditions for a low thermal or voltage Given a load on a turbine blade. This is special important for coated turbine blades.
  • the thickness of the outer wall according to the invention good adhesion of the ceramic protective layer to the metal wall guaranteed without further manufacturing Measures would have to be taken or the hot gas temperature would have to be reduced, which would reduce the efficiency.
  • the outer wall has one layer and is made of metal.
  • the metal is also with relatively high temperatures still stable and conducts at the same time the heat well, so that the cooling inside and the adapted thicknesses of the outer wall the temperature threshold values and the temperature gradients can be maintained.
  • the ribs of the field according to the thickness of the Outer wall, the temperature threshold and / or the temperature gradient and / or that predetermined by Mises reference voltage Have dimensions, distances and spatial arrangements.
  • An optimal combination of parameters enables wide areas compliance with the temperature target values, so that a homogeneous loading of the material and an even Material utilization can be achieved.
  • the primary voltage is limited by the attached ones rib panels depending on the wall thickness on the inside the outer wall.
  • the Turbulence of the cooling fluid increases, which improves the cooling effect, without using additional turbulators ought to. Due to the transverse to the flow direction of the cooling fluid arranged rib fields is just in the areas with thinner wall thickness where there is a higher internal heat transfer coefficient is required, a desired higher cooling effect is achieved. In order to achieve the desired swirl, it is important to that the ribs are neither too narrow nor too far apart be arranged, because otherwise they are not sufficient Turbulence or insufficient stability achieved become.
  • the cooling fluid is added flowing through the interior more turbulent. This improves again the cooling effect.
  • the openings are designed that they do not affect the stability of the ribs.
  • the cavity from the pressure side to Suction side in the longitudinal direction of the turbine blade from the inner walls is crossed, the inner walls to the pressure side or suction-side outer wall with a continuous course connected the continuous course of the thickness of the outer wall are.
  • the cavity from the Pressure side to the suction side ensures that the stability the turbine blade is preserved or improved becomes.
  • the cavity is divided into several chambers. The shape and number of interior walls used for this is selected depending on the type of cooling and cooling fluid properties, that the simplest possible construction of the cavity results. This means that an inexpensive, conventional one Investment casting technology can be applied.
  • the inner walls to the pressure-side or suction-side outer wall under continuous Course on the continuous course of the thickness are connected to the outer wall, voltage peaks in the outer wall are reduced.
  • the inner walls reinforce the Outside wall areas and thus absorb tensions caused by a changing thickness, and different temperatures in the outer wall and thus different heat transport arise. It also takes into account that everywhere an optimal speed level of the cooling fluid and thus gives an optimal internal heat transfer coefficient. Due to the division of the cavity, only a small number occur Pressure losses. It is therefore a high proportion of energy recoverable from the heated cooling fluid.
  • the efficiency of the turbine is hardly affected by the cooling fluid or only minimally reduced if the cooling fluid in one closed circuit through the turbine blade becomes.
  • Leadership in a cycle can also be more Turbine blades include, which also saves cooling fluid becomes.
  • the fact that no cooling mixture by in the cooling fluid escaping, the fluid remains Efficiency and thus the performance of the turbine preserved. It no cooling fluid is consumed, which reduces the operating costs of the Turbine lowers.
  • the cooling fluid inside the turbine blade Most of the heat absorbed can be reused. This improves energy utilization and increases the Efficiency.
  • An advantageous spatial arrangement of the cavity of the turbine blade is supported by the fact that the inlet and the outlet of the cooling fluid are arranged in the foot area. From The cooling fluid is then in the different area other cooling areas. The foot area is for supply lines of the cooling fluid more easily accessible.
  • the cooling fluid is used economically if that the head and foot area of the turbine blade at the same time is cooled with the cooling fluid of the airfoil region. This is the structure of the head, foot and shovel area and especially the transitions between areas simplified.
  • the turbine blade is a moving blade is and the wall thickness of cooling chambers in the cavity as required a local heat transfer coefficient varies locally.
  • the rotary motion of the blade will cool the fluid in some areas of the cooling chambers against the inner walls or pressed against the outer walls. This causes one inhomogeneous internal heat transfer coefficients.
  • This is changed by changing the wall thickness of the inner walls or the outer wall balanced according to the invention. Through the Adjusting the wall thickness is only the absolutely necessary Used amount of material and at the same time a more adapted Coolant consumption reached. This will increase efficiency the turbine increased and at the same time one in all areas the Scahuefl ensures adequate cooling.
  • Central cooling chambers formed by inner walls are provided are flowed through by the cooling fluid.
  • the Middle cooling channels are located in the one with the most through areas of the turbine blade exposed to high heat input. They therefore carry a large proportion of the heat input in itself.
  • the serial flow ensures a long, meandering path of the cooling fluid through the turbine blade and thus a good use of the heat capacity of the cooling fluid.
  • the cooling fluid is in particular at deflection points strongly swirled and thus improves the cooling effect. The amount of cooling fluid required is reduced.
  • the flow rate of the cooling fluid just before the impact on the outer wall is raised if at least one of the Central cooling chambers an impingement cooling insert with outward-facing Impingement bores, which are at a distance of arranged on the inside of the outer wall and that of the cooling fluid are flowed through. Due to the increased flow rate of the cooling fluid hitting the inside of the outer wall the cooling effect is significantly improved. This is it possible, also using a coolant with low pressure achieve a good cooling effect without going through the outer wall to stress high primary voltages due to the internal pressure.
  • a simple, safe and inexpensive way of holding of the impact cooling insert is given when the impact cooling insert from on the inside of the outside wall and / or from on the inside wall and / or spacers mounted on ribs is held.
  • a further improvement of the cooling is given by that additional cooling at the rear edge of the turbine blade is available. This is particularly advantageous because there External walls converge more closely and thus connect to the other cooling chambers is often difficult.
  • the cooling fluid is steam.
  • a closed air cooling requires a lot of air and causes high pressure drops.
  • steam As the cooling fluid are 1.5 to three times higher internal heat transfer numbers than air achievable.
  • the use of steam enables thus operating the turbine with a hotter action fluid, which in turn increases efficiency.
  • cooling air is introduced into the action fluid, high Efficiency losses. Maintaining the temperature of the action fluid it is possible to use cooling steam, to make the turbine blade outer wall thicker, which the Stability of the bucket increases and the demands on the Rib fields reduced. They are also solutions without rib fields possible. Cooling steam possesses air at the same time even higher heat capacity, resulting in an improved Heat removal from the turbine blade leads.
  • a low pressure steam When using a low pressure steam is an embodiment of the cavity with few cooling chambers in the leaf area possible.
  • This low pressure steam is characterized by a Inlet pressure of 15 bar or an inlet temperature of about 250 ° C. Due to the low pressure is the burden the outer wall is reduced by primary stresses caused by internal pressure and there will be fewer ribs to stabilize the Outside wall needed.
  • the interior can be designed in this way, for example be that two cooling chambers formed by an inner wall are flowed through by cooling fluid in series.
  • Impingement cooling insert which has impingement cooling holes, which from Cooling fluid flows through, and that of on the inside the outer wall and / or on the inner wall and / or on some the webs attached to the ribs is held. Because of the engagement Impact cooling bores make the cooling steam locally strong accelerates and thus increases its cooling effect. The acceleration takes place through the baffle cooling holes on the inside the outer wall, and thus increases the internal heat transfer coefficient.
  • the steam has particularly good cooling properties when it is on Is medium pressure steam.
  • Medium pressure steam is marked through inlet data of approximately 30 bar pressure and 350 ° C inlet temperature.
  • the medium pressure steam is in modern combined cycle power plants directly available and does not have to lose energy be additionally provided.
  • Vapor pressure is higher than that of low-pressure steam Heat transfer numbers and better heat transfer.
  • the wall thickness is the guarantee of a constant cooling effect the turbine blade can thus be made thicker, as a result of which the Stability of the turbine blade is increased and the wall increased primary voltages due to the high pressure of the medium pressure steam withstands better.
  • the cavity also exhibits Using a medium pressure cooling steam only cooling chambers on. Impact cooling inserts can be dispensed with. This simplifies it manufacture and reduce costs.
  • the outer contour of the turbine blade advantageously corresponds to that Course of an aerodynamically predetermined shape, the The thickness of the outer wall towards the cavity varies.
  • the shape points thus the advantage of maintaining the temperature threshold values and at the same time does not deviate from its external form from the usual profiles, so that the turbine blade in usual Turbines can be used and the already known Has flow properties.
  • the sub-task related to the manufacturing process is solved in that the mold is arranged so that the profile course of the outer contour of the casting core of the difference between an aerodynamically predetermined, in particular outer Profile course of a turbine airfoil and one Function that corresponds to the course of the external Heat transfer coefficient on the outside of the outer wall of the Turbine blade and the course of the internal heat transfer coefficient on the inside of the outer wall of the turbine blade runs continuously so that at least at predetermined Setting the outer wall predetermined temperature threshold values and / or predetermined temperature gradients between predetermined places of the outer wall are not exceeded.
  • the outer profile profile corresponds to this a standardized profile.
  • the turbine blade 1 shows a cross section through an airfoil area 7 a low-pressure steam-cooled turbine guide vane 1 with varying outer wall thickness 34.
  • the turbine blade 1 is on the outside 9 of the outer wall 4 of a hot action fluid 2, in particular a hot gas.
  • a hot action fluid 2 in particular a hot gas.
  • the turbine blade 1 in its inner, in general multi-part cavity 5, which from the outer wall 4th is surrounded by a cooling steam 6, namely a low-pressure cooling steam, flows through.
  • the cavity 5 is in the longitudinal direction the turbine blade 1 is traversed by inner walls 20, which the blade profile in the direction from the pressure side 46 pull through to suction side 45 so that several central cooling chambers 21 arise, in this case two, the inner walls 20 to the pressure-side or suction-side outer wall 4 below continuous course to the continuous course of Thickness 34 of the outer wall 4 are connected.
  • the central cooling chambers 21 have impingement cooling inserts 22, the walls of a plurality of small impingement cooling holes 23 broken are.
  • the low pressure cooling steam is through the impingement cooling holes 23 pressed through and on the inside 13 of the Outer wall 4 accelerated. Because of the quick impact the inside 13 of the outer wall 4 is then uniformly intense chilled.
  • the cavity has in the leading edge region 32 5 two front cooling chambers 31 through which also Cooling steam flows through and the inside 13 of the outer wall 4 is cooled. The cooling takes place here by convection.
  • the outer wall 4 may have a multi-layer structure and has a metal wall 3, if necessary a ceramic protective layer 15 on the outside and an aluminum alloy layer 54 on the inside, as shown in FIG.
  • the metal wall 3 has different thicknesses 8 along a cross section through the airfoil region 7.
  • the thickness 8 of the metal wall 3 varies continuously, ie without jumps or continuously in order not to cause stress peaks, in accordance with the external heat transfer coefficient W ex on the outside 9 of the outer wall 4
  • the thickness 33 of the ceramic protective layer 15 is approximately constant.
  • the thickness 34 of the outer wall 4 thus also varies with the thickness 8 of the metal wall 3.
  • the external heat transfer coefficient W ex is given by the size of the heat transfer from the hot gas 2 into the outer wall 4.
  • the principle of heat transfer through the outer wall 4 is illustrated in Fig.2.
  • the external heat transfer takes place with a locally different size, indicated by the external heat transfer coefficient W ex , to which the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 is adapted.
  • the thickness 34 of the outer wall 4 or the thickness 8 of the metal wall 3 is also set according to the invention in accordance with the internal heat transfer coefficient W int on the inside 13 of the outer wall 4.
  • the type and the physical parameters of the cooling fluid 6 have a decisive influence on the internal heat transfer coefficient W int .
  • the internal heat transfer coefficient W int can also be changed by the construction of the cavity 5 on the inside 13 of the outer wall 4, for example by means of ribs 16.
  • the cavity 5 has ribs 16 in the areas 14 of the outer wall 4 which are particularly thin or which are particularly strong Are subjected to loads and thus stabilized have to.
  • Ribs 16 are, for example, on both inner sides 13 of the outer wall 4 with an impact cooling insert 22 provided middle cooling chamber 21 transverse to the flow 18 of the cooling fluid 6 running attached.
  • the middle middle cooling chamber 21 only indicates on the inside 13 of the outer wall 4 the suction side 45 of the turbine guide vane 1 ribs 16 on the pressure side 46, however, only spacers 44, the Hold the baffle insert 22 in place.
  • On some of the ribs 16 are also spacers 44 for positioning of the impact cooling insert 22 available.
  • the ribs 16 have predetermined dimensions, such as the thickness 37, the height 41, their foot radius 39, their head radius 40, their load-bearing width 38 and spatial arrangements that are special are suitable for swirling the cooling fluid flow 18 contribute or a sufficient cooling surface to deliver on the inside 13 of the outer wall 4.
  • a depiction can be found in Fig. 5 and 6.
  • a good swirl is particularly given when the ribs 16, which in Rib fields are arranged that are transverse to the direction of flow 18 of the cooling fluid 6 are.
  • the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 moves between approximately 0.6 mm to 1.0 mm in the rear edge area 36 up to approximately 2 mm in the printing area 46.
  • the changes between the individual thickness ranges that are delimited by inner walls 20, have a reduction continuous transitions 10 of voltage peaks for example by means of a linear interpolation between the different target thicknesses.
  • Fig. 2 shows schematically the heat transfer from an action fluid 2 to a cooling fluid 6 via an outer wall 4 and a schematic profile of the temperature T.
  • the outer wall 4 of the Thickness 34 is constructed in several layers. It has an external one ceramic protective layer 15 of thickness 33, a load-bearing Metal wall 3 of thickness 8.
  • aluminization layer 54 against corrosion is provided in cavity 5 and in particular on the inside 13 of the outer wall 4 .
  • the coating 54 can be made very thin. Is the Coating 54 is not attached, the inside 13 of the Outer wall 4 is equal to the inside 12 of the metal wall.
  • the hot action fluid 2 flowing on the outside has a temperature T that is higher than that of the outer wall 4.
  • Heat transfer to the outer wall 4 takes place on the outside 9 of the ceramic protective layer 15.
  • the external heat transfer is characterized by the external heat transfer coefficient W ex , the size of which indicates how much heat is transferred to the outer wall 4.
  • the local heat transfer between the action fluid 2 and the outer wall 4 has different external heat transfer coefficients W ex for different outer wall sections 14 of the airfoil area 7 of the turbine blade 1 and thus different thicknesses 8 of the metal wall 3.
  • the temperature profile T at the transition from the inside 35 has ceramic protective layer 15 on the outside 11 of the metal wall 3 on a discontinuity.
  • the heat emerges from the outside wall 4, which is described by the internal heat transfer coefficient W int .
  • the cooling fluid 6 flowing past takes the heat with it.
  • the temperature curve T shows a sharp drop in this area.
  • a temperature threshold value T M is defined which is characteristic of the temperature resistance of the outer wall material, inter alia for the adhesive quality of the ceramic protective layer 15 on the metal wall 3.
  • T M the maximum metal temperature
  • the thickness 8 of the metal wall 3 By setting the thickness 8 of the metal wall 3 according to the invention, it is achieved that at least at predetermined locations on the outer wall 4 predetermined temperature threshold values T M and / or predetermined temperature gradients ⁇ T M between the The outside 11 of the metal wall 3 and the inside 12 of the metal wall 3, that is to say predetermined locations on the outside wall 4, are not exceeded. This ensures that the outer wall 4 of the turbine blade 1 is not excessively stressed, the ceramic protective layer 15 adheres better to the metal wall 3, no oxidation occurs and thus a permanent use of the turbine blade 1 is possible.
  • the predetermined temperature threshold value T M is approximately 930 ° C to 950 ° C and the predetermined temperature gradient ⁇ T M is approximately 200 to 220 ° C or at approximately 260 to 290 ° C above the metal wall thickness 8.
  • FIG. 3 shows a top view of the foot region 26 of a turbine blade according to Fig.1.
  • the foot region 26 has one Inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.
  • Schematic is the position of the airfoil area 7 relative to Foot region 26 of the turbine blade 1 indicated.
  • the cooling fluid 6 flows through the turbine blade 1 in central cooling chambers 21 with impact cooling inserts 22 and convective in front cooling chambers 31 in the leading edge area 32.
  • additional cooling 56 is provided, which is preferably a separate, closed one Steam cooling is concerned.
  • FIG 4 shows a side view with a flow diagram of the Cooling fluid 6.
  • the inlet 27 of the cooling fluid 6 in the foot area 26 of the turbine blade 1 flows through the cooling fluid 6 the trailing edge region in a branched cooling fluid partial flow 47 36 of the turbine blade 1.
  • Another branched Cooling fluid partial flow 48 flows through a front cooling chamber 31 in Leading edge area 32.
  • the cooling fluid 6 passes through the head region 25 of the Turbine blade 1. Thereupon it first flows through the the front cooling chamber 31 lying on the suction side 45 and after one Redirection of the adjacent front cooling chamber on the pressure side 31 to outlet 28 in foot area 26.
  • Another cooling fluid partial flow branched off from the supplied cooling fluid 6 49 flows through a first central cooling chamber 21, which has an impact cooling insert 22. After passing through the cooling fluid 6 flows serially through the head region 25 second cooling chamber 21, which also has an impact cooling insert 22 has, in the opposite direction to the first. After reaching of the foot region 26 of the turbine blade 1 various streams are brought together and through outlet 28 released from the turbine blade 1.
  • the cooling fluid 6 is at the same time to flow through the airfoil area 7 and the Head 25 and foot area 26 used. It's just a only closed circuit for the cooling fluid 6 is necessary, which simplifies handling and the manufacturing costs decreased.
  • the head area 25 and the foot area 26 are simpler by means of Weld or solder joints 24 on the airfoil area 7 of the turbine blade 1 attached or with end plates 17th locked. This simple type of attachment is due the simple construction of the cavity 5 possible. In the head 25 and foot area 26 can support the cooling effect of the cooling fluid 6 impingement inserts 22 are housed what is not shown.
  • Fig. 5 shows schematically ribs in an enlarged section 16, which reinforce the thinned areas of the outer wall 4 are used.
  • the supervision of the ribs 16 from Fig.1 takes place in the transverse direction, so that only ribs 16 transverse to Flow direction of the cooling fluid 6 are visible.
  • transverse rib openings 19 of predetermined dimensions and spacing attached, as shown in Fig. 1 and Fig. 7. They serve the cross exchange and the additional swirling of the cooling fluid 6, whereby the cooling effect of the cooling fluid 6 is improved.
  • This can be varied, for example the height 42 of the rib openings 19 and their distance 52 from the head 50 of the rib 16, s. Fig.6, as well as the distance 43 of the cross rib openings 19.
  • Thickness 34 of the outer wall 4 When tuning the Ribbed field to the requirements based on the set Thickness 34 of the outer wall 4 can have the above dimensions, distances and spatial arrangements changed within certain limits become.
  • the limits are determined on the one hand by that good cooling must be maintained, on the other hand Adequate stability in accordance with the heat transfer coefficients locally formed with a small thickness Outside wall 4 may be given. For the latter it is necessary that Arrange ribs 16 closer, on the other hand they must not be tight so that the cooling fluid 6 is not just over it flows away and may not be swirled.
  • the Height 41 of the ribs 16 is approximately one to two times the outer wall thickness 34.
  • the load-bearing width 38 of the ribs 16 is approximately four times the thickness 34 of the outer wall 4. In the areas of the leading edge 32 are preferably no ribs or conventional Turbulators as well as in the rear edge area 36.
  • cross rib openings 19 show an exemplary arrangement of cross rib openings 19. They have an elongated oval shape. They effect a cross exchange and a swirl of the flowing past Cooling fluid 6, but arranged so spaced are that they do not affect the stability of the ribs 16, to stabilize the thin outer wall areas 14 serve.
  • FIG. 7 shows a section through an airfoil area 7 of a medium-pressure-steam-cooled turbine guide vane 1 with a varying outer wall thickness 34.
  • the cavity 5 surrounded by the outer wall 4 has six cooling chambers 21, two front cooling chambers 31 in the region of the leading edge 32 and a rear cooling chamber 53 in the rear edge region 36 six middle cooling chambers 21 are separated from one another by inner walls 20.
  • the central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections.
  • the cooling steam 6 flows through them in series according to a flow diagram shown in FIG.
  • the wall thickness 8 of the metal wall 3 varies over the circumference from approximately 1 to 2.2 mm, according to the same principle as already described for the low-pressure steam-cooled turbine guide vane, ie to compensate for the heat transfer coefficients W ex , W int that change over the cross section of the airfoil 7.
  • the transitions between areas 14 of different wall thicknesses 8 are each continuous, corresponding to areas 10, that is to say continuous, preferably linear or interpolated by means of other functions.
  • the turbine blade 1 has rib fields on the entire inside 13 of the outer wall 4, with the exception of the trailing edge region 36, which serve to support the thinned outer wall 4.
  • the medium pressure steam is almost twice as large as the low pressure steam (approximately 30 bar compared to approximately 15 bar).
  • the internal pressure load on the outer wall 4 is much stronger and additional rib fields are required.
  • the medium-pressure steam ensures improved heat dissipation and thus more favorable internal heat transfer coefficients W int .
  • the ribs 16 again have predetermined distances and dimensions and are equipped with cross-flow openings 19.
  • the ribs 16 are essentially transverse to the flow direction 18, which is parallel to the radial axis of the airfoil 7.
  • the cooling mass flow can be adjusted by adding or omitting flow resistances 51, which are only indicated schematically in FIG. 4, in such a way that a desired cooling flow and an internal heat transfer or heat transfer coefficient W int occurs, which is adapted to the varying wall thickness 34 of the outer wall 4 is.
  • FIG. 8 shows a top view of a foot region 26 of a medium-pressure steam-cooled Turbine blade from Figure 7 with a Inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.
  • FIG. 9 shows a longitudinal section of a medium-pressure steam-cooled Turbine blade according to Figure 7 with a foot 26, one Airfoil 7 and a head region 25 and a flow diagram of the medium pressure cooling steam.
  • the middle cooling chambers 21 are serial and the front 31 and the rear cooling chamber partially flows in parallel from the cooling fluid 6.
  • the foot 26 and the Head area 25 are welded to the airfoil area 7 or soldered. They are closed by a Circuit cooled with the same cooling fluid 6 as the airfoil area 7. This reduces the amount of coolant required and simplifies the construction of the cavity 5 respectively the interiors of the head 25 and foot areas 26.
  • FIG. 10 shows a schematic drawing of the coolant flow through a medium-pressure steam-cooled turbine blade from Fig. 7.
  • the inlet area 27 can have different flow resistances 51 are placed in different cooling chambers 21, so that the partial mass flows of the cooling fluid 6 can be adjusted.
  • An enlarged mass flow causes an enlarged one Cooling effect, but also increased pressure drops.
  • FIG. 11 shows a schematic drawing of a medium-pressure steam-cooled Turbine guide vane.
  • the cavity 5 has five Partial cooling chambers 21, the front region 32 two front cooling chambers 31 and the rear area 36 a rear cooling chamber 53 on.
  • the central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections, the wall thickness 8 of the outer wall 4 is almost constant. Due to the sufficient stiffening by the Inner walls 20 do not require ribs 16.
  • FIG. 12 shows a flow diagram of the turbine blade from FIG. 11.

Abstract

The aim of the invention is to produce a turbine blade (1), comprising an outer wall (4), surrounding a hollow cavity, through which a cooling fluid (6) flows and which has an increased life expectancy, even under heavy loading and is simple to produce. The aim of the invention is achieved, whereby the thickness (8) of the outer wall (4), at least over an extent of the blade leading-edge region (7), is such that, at least in pre-determined areas of the external wall (4), pre-determined temperature thresholds (TM) and/or pre-determined temperature gradients ( DELTA TM) are not exceeded.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel, die eine von einem heißen Aktionsfluid angeströmte Außenwand hat, die einen gegebenenfalls mehrteiligen Hohlraum umgibt, der von einem Kühlfluid durchströmt ist, wobei die Außenwand über den Umfang des Schaufelblattbereichs in einem Querschnitt durch den Schaufelblattbereich der Turbinenschaufel unterschiedlich dick ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer gegossenen Turbinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel, nach dem Oberbegriff von Anspruch 27.The invention relates to a turbine blade, in particular Gas turbine blade, which is one of a hot action fluid flowed outside wall, which may have a multi-part Surrounding cavity, which is flowed through by a cooling fluid is, the outer wall over the circumference of the airfoil area in a cross section through the airfoil area the turbine blade is of different thickness, and a method for the production of a cast turbine blade, in particular gas turbine blade, according to the generic term of Claim 27.

Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade und Leistungen beim Betrieb einer mit einem Aktionsfluid, insbesondere einem heißen Gas, betriebenen Turbine, insbesondere einer Gasturbine, wird das Aktionsfluid auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Die vom heißen Aktionsfluid zuerst angeströmten Leit- und Laufschaufeln werden deshalb zur Vermeidung von Schädigungen intern gekühlt, insbesondere mittels Durchströmung eines Kühlfluids, beispielsweise eines Kühlgases oder eines leicht überhitzten Kühldampfes.To achieve high levels of efficiency and performance during operation one with an action fluid, especially a hot gas, operated turbine, especially a gas turbine, it will Action fluid heated to a high temperature. The ones from are called action fluid, first flow guide and rotor blades are therefore used internally to avoid damage cooled, in particular by means of a cooling fluid flowing through it, for example a cooling gas or a slightly overheated one Cooling steam.

US-Patent 5,320,483 offenbart, wie das Kühlfluid in Form von Kühldampf in einem geschlossenen Kreislauf in die Turbinenschaufel eingeleitet wird und nach dem Durchströmen eines mit verschiedenen Strömungskammern und Innenwänden ausgestatteten, innenliegenden Hohlraums der Turbinenschaufel wieder herausgeführt wird. Der Hohlraum ist von der Außenwand der Turbinenschaufel umgeben, die von dem heißen Aktionsfluid der Turbine angeströmt ist. Die Außenwand weist eine im wesentlichen konstante Dicke über eine Betrachtung eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich auf. Trotz der Ausbildung von komplexen und recht aufwendig herzustellenden Kanälen und Turbulaturen innerhalb des Hohlraums der Turbinenschaufel ist es bei dieser Art der Ausbildung einer Turbinenschaufel jedoch nicht gewährleistet, daß die Kühlung überall homogen und in dem erforderlichen Maße stattfindet, was die Lebensdauer der Schaufel stark herabsetzt.U.S. Patent 5,320,483 discloses how the cooling fluid is in the form of Cooling steam in a closed circuit in the turbine blade is initiated and after flowing through with various flow chambers and inner walls, internal cavity of the turbine blade again is brought out. The cavity is from the outside wall of the Turbine blade surrounded by the hot action fluid of the Turbine is flowing. The outer wall essentially has one constant thickness by considering a cross section through the airfoil area. Despite the training of complex and quite complex to produce channels and Turbulature is within the cavity of the turbine blade it with this type of turbine blade formation, however does not guarantee that the cooling is homogeneous and everywhere to the extent necessary takes place what the lifespan the shovel greatly lowers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine innengekühlte Turbinenschaufel mit den oben genannten Merkmalen anzugeben, die eine gegenüber üblichen Turbinenschaufeln verlängerte Lebensdauer auch unter sehr hohen Belastungen besitzt, mit geringem Aufwand herzustellen ist, sowie in einer Turbine hohe Leistungs- und Wirkungsgrade bei niedrigen NOx-Emissionen ermöglicht sowie - als Unteraufgabe - ein hierfür geeignetes Herstellungsverfahren.The object of the present invention is an internally cooled Specify turbine blade with the above characteristics, which has an extended service life compared to conventional turbine blades even under very high loads, with low Manufacturing effort is high, as well as high in a turbine Performance and efficiency levels with low NOx emissions enabled and - as a sub-task - a suitable one Production method.

Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dicke der Außenwand zumindest über einen Teilumfang des Schaufelblattbereichs nach Maßgabe des Verlaufs der externen Wärmeübergangszahl an der Außenseite der Außenwand und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl an der Innenseite der Außenwand kontinuierlich so verläuft, daß vorbestimmte Temperaturschwellenwerte an der Außenwand und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten zwischen vorbestimmten Stellen der Außenwand nicht überschritten werden.The task directed at the turbine blade becomes thereby solved that the thickness of the outer wall at least over a Partial circumference of the airfoil area in accordance with the course the external heat transfer coefficient on the outside of the Outer wall and the course of the internal heat transfer coefficient the inside of the outer wall is continuous so that predetermined temperature threshold values on the outer wall and / or predetermined temperature gradients between predetermined ones Places on the outer wall must not be exceeded.

Die Außenwand der Turbinenschaufel wird durch das heiße Aktionsfluid nicht überall gleich schnell und gleich stark umströmt, was zu lokal stark unterschiedlichen Wärmeeinträgen beziehungsweise Wärmeübergängen Aktionsfluid/Außenwand führt. Ein Maß für diesen Wärmeübergang ist die externe Wärmeübergangszahl. Eine Wärmeübergangszahl gibt die Wärmemenge an, die pro Zeit- und Flächeneinheit übergeht. Je höher die Wärmeübergangszahl, desto größer ist der Wärmeübergang der beispielsweise durch Konvektion oder Strahlung in das Material eingebrachten Wärme. Mit einem erhöhten externen Wärmeübergang steigt die Kühlanforderung an dieser Stelle des Schaufelblatts. The outer wall of the turbine blade is exposed to the hot action fluid not flowed around equally fast and equally strong everywhere, resulting in locally very different heat inputs or heat transfer leads action fluid / outer wall. The external heat transfer coefficient is a measure of this heat transfer. A heat transfer coefficient indicates the amount of heat which passes per unit of time and area. The higher the heat transfer coefficient, the greater the heat transfer, for example by convection or radiation in the material brought in warmth. With an increased external heat transfer the cooling requirement increases at this point on the airfoil.

Dieser lokal erhöhten Kühlanforderung wird erfindungsmäß dadurch begegnet, daß die Dicke der Metallwand und somit der Außenwand an Stellen mit einer hohen externen Wärmeübergangszahl herabgesetzt wird. Dies ergibt sich unter Einbeziehung der Lösung eines Gleichungssystems, das die Wärmeübertragung innerhalb der verschiedenen Bereiche des Turbinenschaufelblatts beschreibt. Die Wärmeübertragung umfaßt einerseits den Wärmeübergang vom heißen Aktionsfluid auf die Außenseite der Außenwand und von der Innenseite der Außenwand auf das Kühlfluid. Weiterhin wird in dem Gleichungssystem die Wärmeleitung innerhalb der Außenwand beschrieben. Eine dünnere Außenwand erhöht die Wärmeleitung. Als Randbedingungen für die Lösung des Gleichungssystems werden die Temperaturschwellenwerte, die Temperaturgradienten gesetzt. Sie sind charakteristisch für die Außenwand und stellen im wesentlichen eine obere Begrenzung für die Aktionsfluidtemperaturen dar. Eine Einhaltung dieser Werte stellt sicher, daß keine Temperaturen an der Schaufel überschritten werden, die zu lokalen Schäden und letztendlich zum frühen Versagen der Turbinenschaufel führen könnten. Der Temperaturschwellenwert entspricht in der Regel einer Oxidationsgrenze des Außenwandmaterials, der Temperaturgradient ist eine Maß für aufgrund unterschiedlicher Temperaturen zwischen zwei Stellen der Außenwand entstehende thermische Spannungen. Zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer der Turbinenschaufel darf er einen kritischen Wert, der von dem Werkstoff, der Zusammensetzung aller beteiligten Spannungen und vom Betriebs-Lastkollektiv abhängt, nicht übersteigen.This locally increased cooling requirement is thereby inventively encountered that the thickness of the metal wall and thus the Exterior wall in places with a high external heat transfer coefficient is reduced. This arises with inclusion the solution of a system of equations that the heat transfer within the different areas of the turbine airfoil describes. The heat transfer includes the one hand Heat transfer from the hot action fluid to the outside of the Outer wall and from the inside of the outer wall to the cooling fluid. Furthermore, the heat conduction in the system of equations described inside the outer wall. A thinner outer wall increases heat conduction. As boundary conditions for the solution of the system of equations are the temperature threshold values, the temperature gradients are set. They are characteristic for the outer wall and essentially make one upper limit for the action fluid temperatures Compliance with these values ensures that no temperatures to be exceeded on the bucket, causing local damage and ultimately to the early failure of the turbine blade could lead. The temperature threshold corresponds to the Rule of an oxidation limit of the outer wall material, the temperature gradient is a measure of due to different Temperatures between two places on the outer wall thermal stresses. To ensure a long service life the turbine blade may have a critical value that of the material, the composition of all involved Voltages and depends on the operating load spectrum, not exceed.

Die Lösung des Gleichungssystems verdeutlicht, daß eine dünnere Ausbildung der Außenwand in einer Art dynamischem Gleichgewicht das Temperaturniveau und die anliegenden Temperaturgradienten herabgesetzt. Prinzipiell führt somit eine dünnere Ausbildung der Außenwand zu einer verbesserten Kühlwirkung aufgrund der erhöhten Wärmeableitung durch das Schaufelaußenwandmaterial. Dies unterliegt jedoch noch den Anforderungen an die Stabilität, die der Dicke der Außenwand eine untere Grenze setzen. Bei geschickter Ausbildung des Innenraums, beispielsweise durch das Einsetzen von Rippen, wie unten beschrieben, wird diese untere Grenze noch ein wenig zu geringeren Dicken hin verschoben.The solution of the system of equations shows that a thinner Formation of the outer wall in a kind of dynamic Balance the temperature level and the applied temperature gradients reduced. In principle, one leads thinner design of the outer wall for an improved cooling effect due to the increased heat dissipation through the blade outer wall material. However, this is still subject to the requirements the stability of the thickness of the outer wall set lower limit. With skillful training of the interior, for example by inserting ribs as below described, this lower limit is still a little too shifted to smaller thicknesses.

Durch eine lokale Variation der Dicke kann somit den lokal erhöhten Kühlanforderungen an Stellen mit hohen externen Wärmeübergangszahlen auf einfache Art und Weise begegnet werden. An Stellen niedriger externer Wärmeübergangszahl kann die Außenwand sogar dicker ausgeführt werden, was die Stabilität erhöht. Aufgrund der durch die Einstellung der Außenwanddicke erreichten, individuell angepaßten Kühlwirkung kann auf kompliziert ausgebildete Kanäle innerhalb des Hohlraums verzichtet werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Turbinenschaufel und senkt die Kosten. Darüber hinaus wird der benötigte Kühlfluidmassenstrom durch die angepaßte Kühlung gesenkt, was den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine verbessert.By locally varying the thickness, the local can increased cooling requirements in places with high external heat transfer coefficients be met in a simple manner. In places with a low external heat transfer coefficient, the Outer wall can be made even thicker, which is stability elevated. Due to the adjustment of the outer wall thickness achieved, individually adapted cooling effect can be complicated trained channels inside the cavity become. This simplifies the manufacture of the turbine blade and lowers costs. In addition, the required Cooling fluid mass flow reduced by the adapted cooling, which improves the efficiency and performance of the turbine.

Vorteilhaft ist es, wenn die Außenwand mehrschichtig aufgebaut ist und außen an der Außenwand eine dünne keramische Schutzschicht und innen eine Metallwand aufweist und daß derjenige Temperaturgradient maßgeblich ist, der zwischen der Außenseite und der Innenseite der Metallwand anliegt. Durch den mehrschichtigen Aufbau kann die Außenwand bei geeigneter Wahl der Schichten verschiedenartige Aufgaben und Anforderungen erfüllen. Die Metallwand, insbesondere aus einer hochwarmfesten Metallegierung, gewährleistet neben einer ausreichenden mechanische Festigkeit und gute Wärmeelastizität, was aufgrund der wechselnden mechanischen Belastungen und Temperaturen notwendig ist. Eine keramische Schutzschicht schützt die Metallwand vor zu hohen Temperaturbelastungen bzw. verhindert eine Oxidation bzw. Korrosion. Die Schutzschicht soll unter anderem verhindern, daß die durch das Anströmen durch das heiße Aktionsfluid an der Schaufelaußenwand verursachte höchste Temperatur einen werkstoffspezifischen Maximalwert übersteigt, beziehungsweise ein sich einstellender Temperaturgradient zwischen der Außenseite der Außenwand und der Innenseite der Außenwand einen bestimmten kritischen Wert übersteigt. Übliche Hochleistungsschaufeln sind auf ausreichend dicke keramische Schutzschichten zur Wärmedämmung angewiesen, damit Temperatur- und Spannungsgrenzen einhaltbar sind. Durch die hohen Belastungen während des Betriebs der Turbine, insbesondere durch schnelle Temperaturwechsel beziehungsweise große Spannungsunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen der Außenwand und aufgrund der bereits im kalten Zustand vorhandenen Gitterparameterunterschiede zwischen der keramischen Schutzschicht und der Metallwand und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten platzen keramische Wärmedämmschichten vorzeitig von der Metallwand ab. Hieran schließt sich dann ein Versagen der Schaufel an. Dies wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, daß die Dicke der Metallwand nach Maßgabe der Wärmeübergangskoeffizienten eingestellt ist und der Temperaturschwellenwert und der Temperaturgradient zwischen der Außenseite und der Innenseite der Metallwand vorbestimmte Werte nicht übersteigen. Diese Werte sind nach den entsprechenden Anforderungen der Schutzschicht bzw. der Grenzschicht zwischen Schutzschicht und Metallwand ausgelegt. Somit reicht es, eine im Vergleich zu üblichen Schutzschichtdicken sehr viel dünnere Schutzschicht auf die Metallwand aufzubringen. Die dünnere Ausbildung der Schicht verbessert zusätzlich die Haftung der Schutzschicht auf der Schaufeloberfläche und verhindert ein lokales Abplatzen, weil sich die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Materialien aufgrund der geringen Schichtdicke nicht mehr so stark auswirken. Zugleich ist diese dünne Schicht wesentlich einfacher aufzubringen, unter anderem auch deshalb, weil an sie geringere Anforderungen bezüglich der Homogenität gestellt werden müssen. Dies verringert die Herstellungskosten und erhöht zugleich die Lebensdauer der Schaufel.It is advantageous if the outer wall has a multilayer structure is and a thin ceramic on the outside wall Protective layer and inside has a metal wall and that one The temperature gradient between the Outside and the inside of the metal wall. By the multilayer structure can the outer wall with a suitable Choice of layers of different tasks and requirements fulfill. The metal wall, especially from a high-temperature resistant Metal alloy, ensures in addition to sufficient mechanical strength and good thermal elasticity what due to the changing mechanical loads and temperatures necessary is. A ceramic protective layer protects the metal wall from excessive temperature loads or prevented an oxidation or corrosion. The protective layer should among other things, prevent that by the inflow through the hot action fluid on the bucket outer wall caused highest temperature a material-specific maximum value exceeds, or an emerging temperature gradient between the outside of the outside wall and the inside the outer wall exceeds a certain critical value. Usual high-performance blades are sufficient thick ceramic protective layers are instructed for thermal insulation, so that temperature and voltage limits can be maintained. By the high loads during the operation of the turbine, in particular through rapid temperature changes respectively large voltage differences between different areas the outer wall and due to the already existing in the cold state Lattice parameter differences between the ceramic Protective layer and the metal wall and different coefficients of thermal expansion ceramic thermal insulation layers burst prematurely from the metal wall. This closes then a failure of the shovel. This is according to the invention thereby preventing the thickness of the metal wall from being correct the heat transfer coefficient is set and the temperature threshold and the temperature gradient between the Outside and inside of the metal wall predetermined Do not exceed values. These values are according to the corresponding ones Requirements of the protective layer or the boundary layer designed between protective layer and metal wall. So that's enough it, a very compared to usual protective layer thicknesses apply a much thinner protective layer to the metal wall. The thinner formation of the layer also improves the Adhesion of the protective layer on the blade surface and prevents a local chipping because the different thermal expansion of the materials due to the thin layer thickness no longer have such an impact. At the same time this thin layer is much easier to apply, among other things because they have lower requirements with regard to homogeneity. This reduces the manufacturing costs and at the same time increases the service life the shovel.

Wenn der Temperaturschwellenwert an der gesamten Außenwand und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten über der gesamten Außenwand nicht überschritten werden, sind besonders gute Bedingungen für eine geringe thermische oder spannungsmäßige Belastung einer Turbinenschaufel gegeben. Dies ist besonders bei beschichteten Turbinenschaufeln wichtig. Durch eine gleichmäßigere, niedrigere Temperatur der Außenwand aufgrund der erfindungsgemäßen Einstellung der Dicke der Außenwand ist eine gute Haftung der keramischen Schutzschicht auf der Metallwand gewährleistet, ohne daß weitere fertigungstechnische Maßnahmen ergriffen werden müßten oder die Heißgastemperatur gesenkt werden müßte, was den Wirkungsgrad herabsetzen würde.If the temperature threshold on the entire outer wall and / or predetermined temperature gradients over the entire Outer wall not be exceeded are particularly good conditions for a low thermal or voltage Given a load on a turbine blade. This is special important for coated turbine blades. By a more even, lower temperature due to the outer wall the thickness of the outer wall according to the invention good adhesion of the ceramic protective layer to the metal wall guaranteed without further manufacturing Measures would have to be taken or the hot gas temperature would have to be reduced, which would reduce the efficiency.

Aus thermischen Gründen ist es möglich, die keramische Schutzschicht vollständig wegzulassen, wenn der Temperaturschwellenwert und der Temperaturgradient kritischen werkstoffabhängigen Werten entsprechen. Eine eventuelle Schutzschicht dient in diesem Fall im wesentlichen noch zur Verhinderung von Korrosions- bzw. Oxydationsangriffen und kann somit zumindest dünner als übliche keramische Schutzschichten ausgebildet sein. Dies verringert die Herstellungskosten und erhöht die Lebensdauer der Schaufel.For thermal reasons it is possible to use ceramic Omit protective layer completely when the temperature threshold and the temperature gradient critical material-dependent Values. A possible protective layer in this case it is still used for prevention from corrosion or oxidation attacks and can therefore at least thinner than conventional ceramic protective layers be trained. This reduces manufacturing costs and increases the lifespan of the bucket.

Vorteilhaft ist es dann insbesondere, wenn die Außenwand einschichtig ist und aus Metall besteht. Das Metall ist auch bei relativ hohen Temperaturen noch stabil und leitet zugleich die Wärme gut ab, so daß durch die Kühlung im Inneren und die angepaßten Dicken der Außenwand die Temperaturschwellenwerte und die Temperaturgradienten eingehalten werden können.It is particularly advantageous if the outer wall has one layer and is made of metal. The metal is also with relatively high temperatures still stable and conducts at the same time the heat well, so that the cooling inside and the adapted thicknesses of the outer wall the temperature threshold values and the temperature gradients can be maintained.

Um insbesondere bei dünnen Metallwandabschnitten erhöhten Spannungen in der Außenwand, beispielsweise durch aufgrund eines hohen Innendrucks erhöhten Primärspannungen, zu begegnen, wird vorgeschlagen, daß im Hohlraum ein Feld aus Rippen dort vorgesehen ist, wo ein Außenwandbereich geringerer Dicke vorliegt. Auf diese Weise werden dünnere Bereiche der Außenwand so gestärkt, daß sie annähernd dieselbe Stabilität aufweisen, wie dickere Bereiche. Hierdurch läßt sich eine homogene Beanspruchung der Turbinenschaufelaußenwand und eine gleichmäßige Werkstoffausnutzung erzielen. Durch die homogene Spannungs- und Dehnungsverteilung wird eine bessere Langzeithaftung der keramischen Schutzschicht auf dem Grundmaterial erreicht, was zu einer Verlängerung der Schaufellebensdauer führt. Durch die Begrenzung der innendruckbedingten Primärspannungen durch Anbringen von wanddickenabhängigen Rippenfeldern im Hohlraum sowie Begrenzung der Wärmespannungen durch Einhaltung eines Grenzwerts für den Temperaturgradienten wird eine Schädigung des Werkstoffs durch zu hohe Zyklenzahlen der sich einstellenden gesamten van Mises-Vergleichsspannung, die die Primärspannung, die Wärmespannung sowie weitere Spannungen umfaßt, zuverlässig verhindert. Bei Leit-und Laufschaufeln erfolgt die Berechnung der thermischen Leitwerte, d.h. der Dickenvariation in etwa gleich. Für die Auslegung der Rippenfelder ist bei Laufschaufeln zu berücksichtigen, daß noch fliehkraftbedingte Spannungen hinzukommen, sowie zusätzliche Sekundärströmungen.To be increased especially with thin metal wall sections Tensions in the outer wall, for example due to a high internal pressure to counter increased primary voltages, it is proposed that a field of ribs in the cavity is provided where an outer wall area of reduced thickness is present. In this way, thinner areas of the outer wall strengthened to have approximately the same stability, like thicker areas. This allows a homogeneous Stress on the turbine blade outer wall and a achieve uniform material utilization. Because of the homogeneous Stress and strain distribution becomes better long-term adhesion the ceramic protective layer on the base material reached, which leads to an extension of the blade life leads. By limiting the primary stresses caused by internal pressure by attaching rib fields depending on the wall thickness in the cavity and limitation of thermal stresses by adhering to a limit value for the temperature gradient will damage the material due to too many cycles the resulting total van Mises reference voltage, which are the primary voltage, the thermal voltage as well includes other voltages, reliably prevented. At key and Blades are used to calculate the thermal Guide values, i.e. the thickness variation is approximately the same. For the The design of the rib fields is to be taken into account for blades, that tensions due to centrifugal force are added, as well as additional secondary flows.

Diese vorgenannten Vorteile werden insbesondere dadurch erreicht, daß die Rippen des Felds nach Maßgabe der Dicke der Außenwand, des Temperaturschwellenwerts und/oder des Temperaturgradienten und/oder der von Mises-Vergleichsspannung vorbestimmte Maße, Abstände und räumliche Anordnungen aufweisen. Eine optimale Parameterkombination ermöglicht in weiten Bereichen eine Einhaltung der Temperaturzielgrößen, so daß eine homogene Beanspruchung des Materials und eine gleichmäßige Werkstoffausnutzung erzielt werden kann. Eine Begrenzung der Wärmespannungen erfolgt im wesentlichen bereits durch die Einhaltung des vorbestimmten Temperaturgradienten durch Einstellung der Dicke der Metallwand und somit der Außenwand. Die Begrenzung der Primärspannung erfolgt durch die angebrachten wanddickenabhängigen Rippenfelder auf der Innenseite der Außenwand. Werden vorbestimmte Abstände zwischen den Rippen eingehalten, kann somit einerseits eine optimale Kühlwirkung, zugleich jedoch auch eine optimale Stabilität des Materials erreicht werden. Weitere Parameter sind die Höhe und die Breite der Rippen, sowie ihre räumliche Anordnung. Durch eine bestimmte Anordnung von Rippen in Rippenfeldern ist es möglich, dünne und zugleich haltbare Außenwände für eine optimale thermische Wandauslegung mit oder auch ohne keramische Schutzschichten herzustellen. Diese Maßnahmen können in der Regel sowohl für Leit- wie auch für Laufschaufeln eingesetzt werden.These advantages mentioned above are achieved in particular by that the ribs of the field according to the thickness of the Outer wall, the temperature threshold and / or the temperature gradient and / or that predetermined by Mises reference voltage Have dimensions, distances and spatial arrangements. An optimal combination of parameters enables wide areas compliance with the temperature target values, so that a homogeneous loading of the material and an even Material utilization can be achieved. A limitation of Thermal stresses already occur through the Adherence to the predetermined temperature gradient by setting the thickness of the metal wall and thus the outer wall. The primary voltage is limited by the attached ones rib panels depending on the wall thickness on the inside the outer wall. Are predetermined distances between the ribs adhered to, on the one hand, an optimal cooling effect, at the same time, however, an optimal stability of the material can be achieved. Other parameters are the height and the width of the ribs and their spatial arrangement. By it is a certain arrangement of ribs in rib fields possible, thin and at the same time durable outer walls for optimal thermal wall design with or without ceramic To produce protective layers. These measures can be taken in the Usually used for both guide and rotor blades become.

Wenn insbesondere das Feld der Rippen zumindest abschnittsweise quer zur Strömung des Kühlfluids verläuft, wird die Turbulenz des Kühlfluids erhöht, was die Kühlwirkung verbessert, ohne daß zusätzliche Turbulatoren eingesetzt werden müßten. Durch die quer zur Stömungsrichtung des Kühlfluids angeordneten Rippenfelder wird gerade in den Bereichen mit dünner Wandstärke, wo eine höhere interne Wärmeübergangszahl benötigt wird, eine erwünschte höhere Kühlwirkung erreicht. Zur Erzielung der gewünschten Verwirbelung ist darauf zu achten, daß die Rippen weder zu eng noch zu weit voneinander beabstandet angeordnet werden, weil sonst entweder keine ausreichende Verwirbelung oder eine zu geringe Stabilität erzielt werden.If in particular the field of the ribs at least in sections runs across the flow of the cooling fluid, the Turbulence of the cooling fluid increases, which improves the cooling effect, without using additional turbulators ought to. Due to the transverse to the flow direction of the cooling fluid arranged rib fields is just in the areas with thinner wall thickness where there is a higher internal heat transfer coefficient is required, a desired higher cooling effect is achieved. In order to achieve the desired swirl, it is important to that the ribs are neither too narrow nor too far apart be arranged, because otherwise they are not sufficient Turbulence or insufficient stability achieved become.

Weisen die Rippen Queröffnungen auf, wird das Kühlfluid bei dem Durchströmen des Innenraums turbulenter. Dies verbessert wiederum die Kühlwirkung. Die Öffnungen sind so ausgelegt, daß sie die Stabilität der Rippen nicht beeinflussen.If the ribs have transverse openings, the cooling fluid is added flowing through the interior more turbulent. This improves again the cooling effect. The openings are designed that they do not affect the stability of the ribs.

Es ist vorteilhaft, wenn der Hohlraum von der Druckseite zur Saugseite in Längsrichtung der Turbinenschaufel von Innenwänden durchzogen ist, wobei die Innenwände an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke der Außenwand angeschlossen sind. Durch die Einteilung des Hohlraums von der Druckseite zur Saugseite wird sichergestellt, daß die Stabilität der Turbinenschaufel erhalten bleibt bzw. verbessert wird. Zugleich wird der Hohlraum in mehrere Kammern aufgeteilt. Die Form und Anzahl der hierzu eingesetzten Innenwände wird je nach Kühlungsart und Kühlfluideigenschaften so gewählt, daß ein möglichst einfacher Aufbau des Hohlraums resultiert. Dies bedeutet, daß eine kostengünstige, herkömmliche Feingußtechnik angewandt werden kann. Wenn die Innenwände an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke der Außenwand angeschlossen sind, werden Spannungsspitzen in der Außenwand werden reduziert. Die Innenwände verstärken die Außenwandbereiche und fangen somit Spannungen auf, die durch eine sich verändernde Dicke, und unterschiedlichen Temperaturen in der Außenwand und damit unterschiedlichen Wärmetransport entstehen. Darüber hinaus wird berücksichtigt, daß sich überall ein optimales Geschwindigkeitsniveau des Kühllfluids und somit eine optimale interne Wärmeübergangszahl ergibt. Durch die Aufteilung des Hohlraums treten lediglich geringe Druckverluste auf. Es ist dehalb ein hoher Anteil an Energie aus dem erwärmten Kühlfluid rückgewinnbar.It is advantageous if the cavity from the pressure side to Suction side in the longitudinal direction of the turbine blade from the inner walls is crossed, the inner walls to the pressure side or suction-side outer wall with a continuous course connected the continuous course of the thickness of the outer wall are. By dividing the cavity from the Pressure side to the suction side ensures that the stability the turbine blade is preserved or improved becomes. At the same time, the cavity is divided into several chambers. The shape and number of interior walls used for this is selected depending on the type of cooling and cooling fluid properties, that the simplest possible construction of the cavity results. This means that an inexpensive, conventional one Investment casting technology can be applied. If the inner walls to the pressure-side or suction-side outer wall under continuous Course on the continuous course of the thickness are connected to the outer wall, voltage peaks in the outer wall are reduced. The inner walls reinforce the Outside wall areas and thus absorb tensions caused by a changing thickness, and different temperatures in the outer wall and thus different heat transport arise. It also takes into account that everywhere an optimal speed level of the cooling fluid and thus gives an optimal internal heat transfer coefficient. Due to the division of the cavity, only a small number occur Pressure losses. It is therefore a high proportion of energy recoverable from the heated cooling fluid.

Eine zusätzliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit ist dadurch gegeben, daß der Hohlraum mit einer Aluminisierungsschicht versehen ist, isnbesondere die dampfbenetzten Innenflächen.An additional improvement in corrosion resistance is given that the cavity with an aluminizing layer is provided, in particular the steam-wetted inner surfaces.

Der Wirkungsgrad der Turbine wird durch das Kühlfluid kaum bzw. lediglich minimal verringert, wenn das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf durch die Turbinenschaufel geführt wird. Die Führung in einem Kreislauf kann auch weitere Turbinenschaufeln umfassen, wodurch zusätzlich Kühlfluid eingespart wird. Dadurch, daß keine abkühlende Mischung durch in das Aktionsfluid austretendes Kühlfluid ensteht, bleibt der Wirkungsgrad und damit die Leistung der Turbine erhalten. Es wird kein Kühlfluid verbraucht, was die Betriebskosten der Turbine senkt. Die vom Kühlfluid innerhalb der Turbinenschaufel aufgenommene Wärme kann weitgehend wiederverwendet werden. Dies verbessert die Energieausnutzung und erhöht den Wirkungsgrad.The efficiency of the turbine is hardly affected by the cooling fluid or only minimally reduced if the cooling fluid in one closed circuit through the turbine blade becomes. Leadership in a cycle can also be more Turbine blades include, which also saves cooling fluid becomes. The fact that no cooling mixture by in the cooling fluid escaping, the fluid remains Efficiency and thus the performance of the turbine preserved. It no cooling fluid is consumed, which reduces the operating costs of the Turbine lowers. The cooling fluid inside the turbine blade Most of the heat absorbed can be reused. This improves energy utilization and increases the Efficiency.

Eine vorteilhafte räumliche Anordnung des Hohlraums der Turbinenschaufel wird dadurch unterstützt, daß der Einlaß und der Auslaß des Kühlfluids im Fußbereich angeordnet sind. Vom Fußbereich aus wird das Kühlfluid dann in die verschiedenen anderen Kühlbereiche geleitet. Der Fußbereich ist für Zuleitungen des Kühlfluids leichter zugänglich.An advantageous spatial arrangement of the cavity of the turbine blade is supported by the fact that the inlet and the outlet of the cooling fluid are arranged in the foot area. From The cooling fluid is then in the different area other cooling areas. The foot area is for supply lines of the cooling fluid more easily accessible.

Eine sparsame Verwendung des Kühlfluids ist dadurch gegeben, daß der Kopf- und Fußbereich der Turbinenschaufel zugleich mit dem Kühlfluid des Schaufelblattbereichs gekühlt wird. Hierdurch ist der Aufbau des Kopf-, Fuß- und Schaufelblattbereichs und insbesondere der Übergänge zwischen den Bereichen vereinfacht.The cooling fluid is used economically if that the head and foot area of the turbine blade at the same time is cooled with the cooling fluid of the airfoil region. This is the structure of the head, foot and shovel area and especially the transitions between areas simplified.

Eine genauere Anpassung an die wirklich benötigte Kühlung ist dadurch gegeben, daß die Turbinenschaufel eine Laufschaufel ist und die Wanddicke von Kühlkammern im Hohlraum nach Maßgabe einer lokalen Wärmeübergangszahl lokal variiert. Durch die Rotationsbewegung der Laufschaufel wird das Kühlfluid in manchen Bereichen der Kühlkammern stärker gegen die Innenwände bzw. gegen die Außenwände gepreßt. Dies verursacht einen inhomogenen internen Wärmeübergangskoeffizienten. Dies wird durch die Änderung der Wanddicken der Innenwände bzw. der Außenwand erfindungsgemäß wieder ausgeglichen. Durch die Anpassung der Wanddicken wird lediglich die unbedingt benötigte Materialmenge eingesetzt und zugleich ein genauer angepaßter Kühlmittelverbrauch erreicht. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Turbine erhöht und zugleich eine in allen Bereichen der Scahuefl ausreichende Kühlung sichergestellt.A more precise adaptation to the really required cooling is given that the turbine blade is a moving blade is and the wall thickness of cooling chambers in the cavity as required a local heat transfer coefficient varies locally. By The rotary motion of the blade will cool the fluid in some areas of the cooling chambers against the inner walls or pressed against the outer walls. This causes one inhomogeneous internal heat transfer coefficients. This is changed by changing the wall thickness of the inner walls or the outer wall balanced according to the invention. Through the Adjusting the wall thickness is only the absolutely necessary Used amount of material and at the same time a more adapted Coolant consumption reached. This will increase efficiency the turbine increased and at the same time one in all areas the Scahuefl ensures adequate cooling.

Vorteilhaft ist es, wenn im Mittelbereich des Schaufelblattbereichs von Innenwänden gebildete Mittelkühlkammern vorgesehen sind, die seriell vom Kühlfluid durchströmt sind. Die Mittelkühlkanäle befinden sich in dem mit am stärksten durch hohen Wärmeeintrag belasteten Bereichen der Turbinenschaufel. Sie tragen somit einen großen Anteil der eingetragenen Wärme in sich. Die serielle Durchströmung gewährleistet einen langen, mäanderförmigen Weg des Kühlfluids durch die Turbinenschaufel und somit eine gute Ausnutzung der Wärmekapazität des Kühlfluids. Insbesondere an Umlenkstellen wird das Kühlfluid stark verwirbelt und somit die Kühlwirkung verbessert. Die benötigte Kühlfluidmenge wird reduziert.It is advantageous if in the central area of the airfoil area Central cooling chambers formed by inner walls are provided are flowed through by the cooling fluid. The Middle cooling channels are located in the one with the most through areas of the turbine blade exposed to high heat input. They therefore carry a large proportion of the heat input in itself. The serial flow ensures a long, meandering path of the cooling fluid through the turbine blade and thus a good use of the heat capacity of the cooling fluid. The cooling fluid is in particular at deflection points strongly swirled and thus improves the cooling effect. The amount of cooling fluid required is reduced.

Ein schnelles Fließen des Kühlfluids und damit ein verbesserter Wärmeabtransport ist dadurch gegeben, daß im Mittelbereich des Schaufelblattbereichs von Innenwänden gebildete Mittelkühlkammern vorgesehen sind, die parallel vom Kühlfluid durchströmt sind. Zugleich ist hierdurch der Aufbau des Hohlraums in dem sich die Kühlkammern befinden, vereinfacht und somit ein ausschußärmerer Guß bei der Herstellung ermöglicht.A quick flow of the cooling fluid and thus an improved one Heat dissipation is given by the fact that in the central area of the airfoil area formed by inner walls Central cooling chambers are provided which are parallel to the cooling fluid are flowed through. At the same time, this means the construction of the cavity in which the cooling chambers are located, simplified and thus a less wasted casting enables in the manufacture.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids kurz vor dem Aufprall auf die Außenwand wird erhöht, wenn zumindest eine der Mittelkühlkammern einen Prallkühleinsatz mit nach außen gerichteten Prallkühlbohrungen aufweist, die mit Abstand von der Innenseite der Außenwand angeordnet und die vom Kühlfluid durchströmt sind. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des auf die Innenseite der Außenwand aufprallenden Kühlfluids wird die Kühlwirkung deutlich verbessert. Hierdurch ist es möglich, auch mittels eines Kühlmittels mit niedrigem Druck eine gute Kühlwirkung zu erzielen, ohne die Außenwand durch hohe Primärspannungen durch den Innendruck zu belasten.The flow rate of the cooling fluid just before the impact on the outer wall is raised if at least one of the Central cooling chambers an impingement cooling insert with outward-facing Impingement bores, which are at a distance of arranged on the inside of the outer wall and that of the cooling fluid are flowed through. Due to the increased flow rate of the cooling fluid hitting the inside of the outer wall the cooling effect is significantly improved. This is it possible, also using a coolant with low pressure achieve a good cooling effect without going through the outer wall to stress high primary voltages due to the internal pressure.

Eine einfache, sichere und kostengünstige Art der Halterun des Prallkühleinsatzes ist gegeben, wenn der Prallkühleinsatz von auf der Innenseite der Außenwand und/oder von auf der Innenwand und/oder von auf Rippen angebrachten Abstandshaltern gehalten ist.A simple, safe and inexpensive way of holding of the impact cooling insert is given when the impact cooling insert from on the inside of the outside wall and / or from on the inside wall and / or spacers mounted on ribs is held.

Eine weitere Verbesserung der Kühlung ist dadurch gegeben, daß an der Hinterkante der Turbinenschaufel eine Zusatzkühlung vorhanden ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dort Außenwände enger zusammenlaufen und somit eine Verbindung zu den übrigen Kühlkammern häufig schwierig ist. A further improvement of the cooling is given by that additional cooling at the rear edge of the turbine blade is available. This is particularly advantageous because there External walls converge more closely and thus connect to the other cooling chambers is often difficult.

Insbesondere handelt es sich dabei um eine separate, geschlossene Dampfkühlung.In particular, it is a separate, closed one Steam cooling.

Wenn an der Hinterkante der Turbinenschaufel alternativ eine offene Luftkühlung mit freiem Austritt vorhanden ist wird keine Rückleitung mehr benötigt. Die eingesetzte Luft wird frei in den Aktionsfluidraum eingeleitet. Da es sich nur um eine relativ geringe Menge Kühlluft handelt, wird der Wirkungsgrad der Turbine hierdurchwenig gemindert.If, alternatively, one at the rear edge of the turbine blade open air cooling with free outlet is available no return line required. The air used is freely introduced into the action fluid space. Since it's just A relatively small amount of cooling air is the efficiency the turbine thereby reduced little.

Zur Erzielung einer höheren internen Wärmeübergangszahl ist es vorteilhaft, wenn das Kühlfluid Dampf ist. Die knappe, für niedrige Schadstoffemissionen bei pulsationsfreiem Betrieb benötigte Verdichterluft muß nicht eingesetzt werden. Eine geschlossene Luftkühlung benötigt sehr viel Luft und bewirkt hohe Druckverluste. Bei Verwendung von Dampf als Kühlfluid sind gegenüber Luft 1,5 bis dreifach höhere interne Wärmeübergangszahlen erzielbar. Der Einsatz von Dampf ermöglicht somit den Betrieb der Turbine mit einem heißeren Aktionsfluid, was wiederum den Wirkungsgrad heraufsetzt. Wenn Kühlluft in das Aktionsfluid eingeleitet wird, entstehen hohe Wirkungsgradverluste. Bei Beibehaltung der Temperatur des Aktionsfluids ist es durch den Einsatz von Kühldampf möglich, die Turbinenschaufelaußenwand dicker auszubilden, was die Stabilität der Schaufel erhöht und die Anforderungen an die Rippenfelder herabsetzt. Es sind auch Lösungen ohne Rippenfelder möglich. Kühldampf besitzt gegenüber Luft zugleich noch eine höhere Wärmekapazität, was zu einem verbesserten Wärmeabtransport aus der Turbinenschaufel führt.To achieve a higher internal heat transfer coefficient it is advantageous if the cooling fluid is steam. The scarce, for low pollutant emissions with pulsation-free operation required compressor air does not have to be used. A closed air cooling requires a lot of air and causes high pressure drops. When using steam as the cooling fluid are 1.5 to three times higher internal heat transfer numbers than air achievable. The use of steam enables thus operating the turbine with a hotter action fluid, which in turn increases efficiency. When cooling air is introduced into the action fluid, high Efficiency losses. Maintaining the temperature of the action fluid it is possible to use cooling steam, to make the turbine blade outer wall thicker, which the Stability of the bucket increases and the demands on the Rib fields reduced. They are also solutions without rib fields possible. Cooling steam possesses air at the same time even higher heat capacity, resulting in an improved Heat removal from the turbine blade leads.

Bei Einsatz eines Niederdruckdampfes ist eine Ausgestaltung des Hohlraums mit wenigen Kühlkammern im Blattbereich möglich. Dieser Niederdruckdampf ist gekennzeichnet durch einen Eintrittsdruck von 15 bar oder eine Eintrittstemperatur von ungefähr 250°C. Durch den niedrigen Druck ist die Belastung der Außenwand durch innendruckbedingte Primärspannungen vermindert und es werden weniger Rippen zur Stabilisierung der Außenwand benötigt. Der Innenraum kann beispielsweise so ausgestaltet sein, daß zwei von einer Innenwand gebildete Kühlkammern seriell von Kühlfluid durchströmt sind. Vorteilhafterweise befindet sich zumindest in einer der Kühlkammern ein Prallkühleinsatz, der Prallkühlbohrungen aufweist, die vom Kühlfluid durchströmt sind, und der von auf der Innenseite der Außenwand und/oder auf der Innenwand und/oder auf einigen der Rippen angebrachten Stegen gehalten wird. Durch den Einsatz von Prallkühlbohrungen wird der Kühldampf lokal stark beschleunigt und somit seine Kühlwirkung erhöht. Die Beschleunigung erfolgt durch die Prallkühlbohrungen auf die Innenseite der Außenwand, und erhöht somit die interne Wärmeübergangszahl.When using a low pressure steam is an embodiment of the cavity with few cooling chambers in the leaf area possible. This low pressure steam is characterized by a Inlet pressure of 15 bar or an inlet temperature of about 250 ° C. Due to the low pressure is the burden the outer wall is reduced by primary stresses caused by internal pressure and there will be fewer ribs to stabilize the Outside wall needed. The interior can be designed in this way, for example be that two cooling chambers formed by an inner wall are flowed through by cooling fluid in series. Advantageously is at least in one of the cooling chambers Impingement cooling insert, which has impingement cooling holes, which from Cooling fluid flows through, and that of on the inside the outer wall and / or on the inner wall and / or on some the webs attached to the ribs is held. Because of the engagement Impact cooling bores make the cooling steam locally strong accelerates and thus increases its cooling effect. The acceleration takes place through the baffle cooling holes on the inside the outer wall, and thus increases the internal heat transfer coefficient.

Besonders gute Kühleigenschaften hat der Dampf, wenn er ein Mitteldruckdampf ist. Mitteldruckdampf ist gekennzeichnet durch Eintrittsdaten von ungefähr 30 bar Druck und 350°C Eintrittstemperatur. Zugleich ist der Innendruckspannungspegel noch nicht sehr hoch, so daß die entstehenden Spannungen noch beherrschbar sind. Der Mitteldruckdampf ist in modernen GUD-Kraftwerken direkt verfügbar und muß nicht unter Energieverlust zusätzlich bereitgestellt werden. Durch den höheren Dampfdruck entstehen gegenüber einem Niederdruckdampf höhere Wärmeübergangszahlen und ein besserer Wärmetransport. Unter Gewährleistung gleichbleibender Kühlwirkung ist die Wanddicke der Turbinenschaufel somit dicker ausbildbar, wodurch die Stabilität der Turbinenschaufel erhöht wird und die Wand den durch den hohen Druck des Mitteldruckdampfes erhöhten Primärspannungen besser standhält. Zudem weist der Hohlraum bei Verwendung eines Mitteldruckkühldampfs lediglich Kühlkammern auf. Auf Prallkühleinsätze kann verzichtet werden. Dies vereinfacht die Herstellung und reduziert die Kosten.The steam has particularly good cooling properties when it is on Is medium pressure steam. Medium pressure steam is marked through inlet data of approximately 30 bar pressure and 350 ° C inlet temperature. At the same time, the internal compressive stress level not very high yet, so the tensions that arise still are manageable. The medium pressure steam is in modern combined cycle power plants directly available and does not have to lose energy be additionally provided. By the higher one Vapor pressure is higher than that of low-pressure steam Heat transfer numbers and better heat transfer. Under The wall thickness is the guarantee of a constant cooling effect the turbine blade can thus be made thicker, as a result of which the Stability of the turbine blade is increased and the wall increased primary voltages due to the high pressure of the medium pressure steam withstands better. The cavity also exhibits Using a medium pressure cooling steam only cooling chambers on. Impact cooling inserts can be dispensed with. This simplifies it manufacture and reduce costs.

Die Außenkontur der Turbinenschauel entspricht vorteilhat dem Verlauf einer aerodynamisch vorgegebenen Form, wobei die Dicke der Außenwand zum Hohlraum hin variiert. Die Form weist somit den Vorteil der Einhaltung der Temperaturschwellenwerte auf und weicht zugleich von ihrer äußeren Form nicht von den üblichen Profilen ab, so daß die Turbinenschaufel in üblichen Turbinen eingesetzt werden kann und die bereits bekannten Strömungseigenschaften aufweist.The outer contour of the turbine blade advantageously corresponds to that Course of an aerodynamically predetermined shape, the The thickness of the outer wall towards the cavity varies. The shape points thus the advantage of maintaining the temperature threshold values and at the same time does not deviate from its external form from the usual profiles, so that the turbine blade in usual Turbines can be used and the already known Has flow properties.

Die auf das Verfahren zur Herstellung bezogene Unteraufgabe wird dadurch gelöst, daß die Gußform so angeordnet wird, daß der Profilverlauf der Außenkontur des Gußkerns der Differenz zwischen einem aerodynamisch vorgegebenen, insbesondere äußeren Profilverlauf eines Turbinenschaufelblatts und einer Funktion entspricht, die nach Maßgabe des Verlaufs der externen Wärmeübergangszahl an der Außenseite der Außenwand der Turbinenschaufel und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl an der Innenseite der Außenwand der Turbinenschaufel kontinuierlich so verläuft, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand vorbestimmte Temperaturschwellenwerte und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten zwischen vorbestimmten Stellen der Außenwand nicht überschritten werden. Insbesondere entspricht der äußere Profilverlauf dabei einem genormten Profilverlauf.The sub-task related to the manufacturing process is solved in that the mold is arranged so that the profile course of the outer contour of the casting core of the difference between an aerodynamically predetermined, in particular outer Profile course of a turbine airfoil and one Function that corresponds to the course of the external Heat transfer coefficient on the outside of the outer wall of the Turbine blade and the course of the internal heat transfer coefficient on the inside of the outer wall of the turbine blade runs continuously so that at least at predetermined Setting the outer wall predetermined temperature threshold values and / or predetermined temperature gradients between predetermined places of the outer wall are not exceeded. In particular, the outer profile profile corresponds to this a standardized profile.

Es wird also lediglich ein Gußkern eingesetzt, dessen Außenwölbung bzw. Geometrie mit der variablen Dicke der Außenwand sowie u.U. mit den Geometrien zugehöriger Rippenfelder entsprechend relativ zu einer umgebenden Gußform bzw. Außenkontur veränderlich ist. Dieser Gußkern ist kompakt, besitzt eine einfach herzustellende Form, die leicht abgestützt werden kann und keinen exzessiv engen Toleranzanforderungen unterliegt. Damit sind sowohl konventionelle Feingußverfahren, als auch Verfahren mit gerichteter Erstarrung oder Einkristallerstarrung ohne Mehrkosten durchführbar. Die Turbinenschaufel kann in ihrem Schaufelblattbereich einstückig gegossen werden. Der Ausschuß beim Guß ist durch die einfache Form vermindert. Durch die Außenwölbungen wird die Außenwand des Gußprodukts der Turbinenschaufel unterschiedlich dick ausgebildet, wobei im wesentlichen keine Nachbearbeitung nötig ist. Durch die einfache Maßnahme der unterschiedlich dick ausgebildeten Außenwände können Temperaturgrenzwerte eingehalten werden, ohne daß aufwendige Beschichtungen vorgenommen werden müßten, die zudem leicht wieder abplatzen.So only a cast core is used, the outer curvature or geometry with the variable thickness of the outer wall as well as possibly with the geometries of the corresponding rib fields relative to a surrounding mold or outer contour is changeable. This core is compact, possesses an easy to manufacture shape that is easily supported can and is not subject to excessively narrow tolerance requirements. This means that conventional investment casting processes, as well as methods with directional solidification or single crystal solidification feasible without additional costs. The turbine blade can be cast in one piece in their airfoil area become. The committee for casting is due to the simple shape reduced. The outer wall of the Cast product of the turbine blade of different thickness, essentially no post-processing is necessary is. By simply taking the different thickness trained external walls can comply with temperature limits are made without expensive coatings should be, which also easily flake off again.

Sowohl für Niederdruck- wie auch für Mitteldruckdampfkonstruktionen kommen gängige, ausschußarme Verfahren zum Einsatz, da die minimalen Außenwanddicken mit annähernd 1 bis 2 mm im Vergleich zu sonst üblichen Außenwanddicken von dampfgekühlten Turbinenschaufeln fast doppelt so groß sind und die Gußtoleranzen bei annähernd 0,15 mm liegen, was in einem für übliche Gußverfahren problemlosen Bereich liegt. Dies vereinfacht die Herstellung und verringert die Herstellungskosten beträchtlich.Both for low pressure and medium pressure steam constructions common, low-reject methods are used, since the minimum outer wall thicknesses are approximately 1 to 2 mm compared to the usual outer wall thickness of steam-cooled Turbine blades are almost twice as big and that Casting tolerances are approximately 0.15 mm, which in one for usual casting process problem-free area. This simplifies it the manufacture and reduces the manufacturing cost considerably.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is illustrated in the figures Exemplary embodiments explained in more detail.

Es zeigen:

  • Fig.1 einen Querschnitt durch eine niederdruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufel mit variierender Außenwanddicke,
  • Fig.2 eine schematische Ausschnittsvergrößerung der Außenwand zur Darstellung des Wärmeübertragungsmechanismus in der Außenwand,
  • Fig.3 einen schematischen Schnitt durch einen Schaufelblattbereich und einen Fußbereich einer niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel von Fig.1,
  • Fig.4 ein Fließschema des Kühldampfes durch eine niederdruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufel im Längsschnitt von Fig.1,
  • Fig.5 einen Schnitt durch ein Rippenfeld,
  • Fig.6 Queröffnungen der Rippen,
  • Fig.7 einen Querschnitt durch eine mitteldruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufel,
  • Fig.8 einen schematischen Schnitt durch einen Schaufelblattbereich und einen Fußbereich einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel von Fig.7,
  • Fig.9 ein Fließschema des Kühldampfes einer niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel im Längsschnitt von Fig.7,
  • Fig.10 ein Fließschema mit Fließwiderständen der Schaufel,
  • Fig.11 einen schematischen Schnitt durch eine mitteldruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufel und
  • Fig.12 ein Fießschema der Turbinenleitschaufel von Fig.11.
  • Show it:
  • 1 shows a cross section through a low-pressure steam-cooled turbine guide vane with a varying outer wall thickness,
  • 2 shows a schematic enlargement of the outer wall to show the heat transfer mechanism in the outer wall,
  • 3 shows a schematic section through an airfoil area and a foot area of a low-pressure steam-cooled turbine guide vane from FIG. 1,
  • 4 shows a flow diagram of the cooling steam through a low-pressure steam-cooled turbine guide vane in the longitudinal section of FIG. 1,
  • 5 shows a section through a rib field,
  • Fig. 6 cross openings of the ribs,
  • 7 shows a cross section through a medium-pressure steam-cooled turbine guide vane,
  • 8 shows a schematic section through an airfoil area and a foot area of a medium-pressure steam-cooled turbine guide vane from FIG. 7,
  • 9 shows a flow diagram of the cooling steam of a low-pressure steam-cooled turbine guide vane in the longitudinal section of FIG. 7,
  • 10 shows a flow diagram with flow resistances of the blade,
  • 11 shows a schematic section through a medium-pressure steam-cooled turbine guide vane and
  • 12 shows a flow diagram of the turbine guide vane from FIG. 11.
  • Fig.1 zeigt einen Querschnitt durch einen Schaufelblattbereich 7 einer niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel 1 miir variierender Außenwanddicke 34. Die Turbinenschaufel 1 wird an der Außenseite 9 der Außenwand 4 von einem heißen Aktionsfluid 2, insbesondere einem Heißgas angeströmt. Zur Kühlung ist die Turbinenschaufel 1 in ihrem innenliegenden, im allgemeinen mehrteiligen Hohlraum 5, der von der Außenwand 4 umgeben ist, von einem Kühldampf 6, nämlich einem Niederdruckkühldampf, durchströmt. Der Hohlraum 5 ist in Längsrichtung der Turbinenschaufel 1 von Innenwänden 20 durchzogen, welche das Schaufelprofil in Richtung von der Druckseite 46 zur Saugseite 45 so durchziehen, daß mehrere Mittelkühlkammern 21 entstehen, in diesem Fall zwei, wobei die Innenwände 20 an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand 4 unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke 34 der Außenwand 4 angeschlossen sind. Die Mittelkühlkammern 21 weisen Prallkühleinsätze 22 auf, deren Wände von einer Vielzahl kleiner Prallkühlbohrungen 23 durchbrochen sind. Der Niederdruckkühldampf wird durch die Prallkühlbohrungen 23 hindurchgepreßt und auf die Innenseite 13 der Außenwand 4 zu beschleunigt. Durch den schnellen Aufprall wird die Innenseite 13 der Außenwand 4 dann gleichmäßig intensiv gekühlt. Im Anströmkantenbereich 32 weist der Hohlraum 5 zwei Vorderkühlkammern 31 auf, durch die ebenfalls Kühldampf hindurchströmt und die Innenseite 13 der Außenwand 4 gekühlt wird. Die Kühlung erfolgt hier konvektiv.1 shows a cross section through an airfoil area 7 a low-pressure steam-cooled turbine guide vane 1 with varying outer wall thickness 34. The turbine blade 1 is on the outside 9 of the outer wall 4 of a hot action fluid 2, in particular a hot gas. For cooling is the turbine blade 1 in its inner, in general multi-part cavity 5, which from the outer wall 4th is surrounded by a cooling steam 6, namely a low-pressure cooling steam, flows through. The cavity 5 is in the longitudinal direction the turbine blade 1 is traversed by inner walls 20, which the blade profile in the direction from the pressure side 46 pull through to suction side 45 so that several central cooling chambers 21 arise, in this case two, the inner walls 20 to the pressure-side or suction-side outer wall 4 below continuous course to the continuous course of Thickness 34 of the outer wall 4 are connected. The central cooling chambers 21 have impingement cooling inserts 22, the walls of a plurality of small impingement cooling holes 23 broken are. The low pressure cooling steam is through the impingement cooling holes 23 pressed through and on the inside 13 of the Outer wall 4 accelerated. Because of the quick impact the inside 13 of the outer wall 4 is then uniformly intense chilled. The cavity has in the leading edge region 32 5 two front cooling chambers 31 through which also Cooling steam flows through and the inside 13 of the outer wall 4 is cooled. The cooling takes place here by convection.

    Die Außenwand 4 ist gegebenenfalls mehrschichtig aufgebaut und weist eine Metallwand 3, außen bedarfsweise eine keramische Schutzschicht 15 und innenliegend eine Aluminiumlegierungsschicht 54 auf, wie in Fig.2 dargestellt. Die Metallwand 3, besitzt entlang eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich 7 unterschiedliche Dicken 8. Die Dicke 8 der Metallwand 3 variiert kontinuierlich, d.h. ohne Sprünge bzw. stetig um keine Spannungsspitzen hervorzurufen, nach Maßgabe der externen Wärmeübergangszahl Wex an der Außenseite 9 der Außenwand 4. Die Dicke 33 der keramischen Schutzschicht 15 ist annähernd konstant. Die Dicke 34 der Außenwand 4 variiert also ebenfalls mit der Dicke 8 der Metallwand 3. Die externe Wärmeübergangszahl Wex ist durch die Größe des Wärmeübergangs vom Heißgas 2 in die Außenwand 4 gegeben. Das Prinzip der Wärmeübertragung durch die Außenwand 4 ist in Fig.2 verdeutlicht. Der externe Wärmeübergang erfolgt mit einer lokal unterschiedlichen, durch die externe Wärmeübergangszahl Wex angegebenen Größe, woran die Dicke 8 der Metallwand 3 bzw. die Dicke 34 der Außenwand 4 angepaßt ist.The outer wall 4 may have a multi-layer structure and has a metal wall 3, if necessary a ceramic protective layer 15 on the outside and an aluminum alloy layer 54 on the inside, as shown in FIG. The metal wall 3 has different thicknesses 8 along a cross section through the airfoil region 7. The thickness 8 of the metal wall 3 varies continuously, ie without jumps or continuously in order not to cause stress peaks, in accordance with the external heat transfer coefficient W ex on the outside 9 of the outer wall 4 The thickness 33 of the ceramic protective layer 15 is approximately constant. The thickness 34 of the outer wall 4 thus also varies with the thickness 8 of the metal wall 3. The external heat transfer coefficient W ex is given by the size of the heat transfer from the hot gas 2 into the outer wall 4. The principle of heat transfer through the outer wall 4 is illustrated in Fig.2. The external heat transfer takes place with a locally different size, indicated by the external heat transfer coefficient W ex , to which the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 is adapted.

    Die Dicke 34 der Außenwand 4 bzw. der Dicke 8 der Metallwand 3 ist erfindungsgemäß zudem auch nach Maßgabe der internen Wärmeübergangszahl Wint an der Innenseite 13 der Außenwand 4 eingestellt. Auf die interne Wärmeübergangszahl Wint haben die Art und die physikalischen Parameter des Kühlfluids 6 einen entscheidenden Einfluß. Auch durch den Aufbau des Hohlraums 5 an der Innenseite 13 der Außenwand 4, beispielsweise durch Rippen 16, kann die interne Wärmeübergangszahl Wint verändert werden.The thickness 34 of the outer wall 4 or the thickness 8 of the metal wall 3 is also set according to the invention in accordance with the internal heat transfer coefficient W int on the inside 13 of the outer wall 4. The type and the physical parameters of the cooling fluid 6 have a decisive influence on the internal heat transfer coefficient W int . The internal heat transfer coefficient W int can also be changed by the construction of the cavity 5 on the inside 13 of the outer wall 4, for example by means of ribs 16.

    Der Hohlraum 5 weist Rippen 16 in den Bereichen 14 der Außenwand 4 auf, die besonders dünn sind oder die besonders starken Belastungen unterworfen sind und somit stabilisiert werden müssen. Rippen 16 sind beispielsweise auf beiden Innenseiten 13 der Außenwand 4 einer mit Prallkühleinsätzen 22 versehenen Mittelkühlkammer 21 quer zur Strömung 18 des Kühlfluids 6 verlaufend angebracht. Die mittlere Mittelkühlkammer 21 weist lediglich auf der Innenseite 13 der Außenwand 4 an der Saugseite 45 der Turbinenleitschaufel 1 Rippen 16 auf, an der Druckseite 46 hingegen nur Abstandshalter 44, die den Prallkühleinsatz 22 in Position halten. An einigen der Rippen 16 sind ebenfalls Abstandshalter 44 für die Positionierung des Prallkühleinsatzes 22 vorhanden.The cavity 5 has ribs 16 in the areas 14 of the outer wall 4 which are particularly thin or which are particularly strong Are subjected to loads and thus stabilized have to. Ribs 16 are, for example, on both inner sides 13 of the outer wall 4 with an impact cooling insert 22 provided middle cooling chamber 21 transverse to the flow 18 of the cooling fluid 6 running attached. The middle middle cooling chamber 21 only indicates on the inside 13 of the outer wall 4 the suction side 45 of the turbine guide vane 1 ribs 16 on the pressure side 46, however, only spacers 44, the Hold the baffle insert 22 in place. On some of the ribs 16 are also spacers 44 for positioning of the impact cooling insert 22 available.

    Die Rippen 16 weisen vorbestimmte Maße auf, wie die Dicke 37, die Höhe 41, ihren Fußradius 39, ihren Kopfradius 40, ihre mittragende Breite 38 sowie räumliche Anordnungen, die besonders geeignet sind, zur Verwirbelung der Kühlfluidströmung 18 beizutragen beziehungsweise eine ausreichende Kühloberfläche an der Innenseite 13 der Außenwand 4 zu liefern. Eine Darstellung findet sich in Fig.5 bzw. 6. Eine gute Verwirbelung ist insbesondere dann gegeben, wenn die Rippen 16, die in Rippenfeldern angeordnet sind, die quer zur Strömungsrichtung 18 des Kühlfluids 6 liegen.The ribs 16 have predetermined dimensions, such as the thickness 37, the height 41, their foot radius 39, their head radius 40, their load-bearing width 38 and spatial arrangements that are special are suitable for swirling the cooling fluid flow 18 contribute or a sufficient cooling surface to deliver on the inside 13 of the outer wall 4. A depiction can be found in Fig. 5 and 6. A good swirl is particularly given when the ribs 16, which in Rib fields are arranged that are transverse to the direction of flow 18 of the cooling fluid 6 are.

    Die Dicke 8 der Metallwand 3 bzw. die Dicke 34 der Außenwand 4 bewegt sich zwischen annähernd 0,6 mm bis 1,0 mm im Hinterkantenbereich 36 bis zu annähernd 2 mm im Druckbereich 46. Die Änderungen zwischen den einzelnen Dickenbereichen, die durch Innenwände 20 abgegrenzt sind, weisen zur Verminderung von Spannungsspitzen kontinuierliche Übergänge 10 auf, berechnet beispielsweise mittels einer linearen Interpolation zwischen den unterschiedlichen Solldicken.The thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 moves between approximately 0.6 mm to 1.0 mm in the rear edge area 36 up to approximately 2 mm in the printing area 46. The changes between the individual thickness ranges that are delimited by inner walls 20, have a reduction continuous transitions 10 of voltage peaks for example by means of a linear interpolation between the different target thicknesses.

    Fig.2 zeigt schematisch die Wärmeübertragung von einem Aktionsfluid 2 auf eine Kühlfluid 6 über eine Außenwand 4 und ein schematisches Profil der Temperatur T. Die Außenwand 4 der Dicke 34 ist mehrschichtig aufgebaut. Sie weist eine außenliegende keramische Schutzschicht 15 der Dicke 33, eine tragende Metallwand 3 der Dicke 8 auf. Im Hohlraum 5 und insbesondere an der Innenseite 13 der Außenwand 4 ist optional eine Aluminisierungsschicht 54 gegen Korrosion vorgesehen. Die Beschichtung 54 kann sehr dünn ausgebildet sein. Ist die Beschichtung 54 nicht angebracht, liegt die Innenseite 13 der Außenwand 4 gleich mit der Innenseite 12 der Metallwand.Fig. 2 shows schematically the heat transfer from an action fluid 2 to a cooling fluid 6 via an outer wall 4 and a schematic profile of the temperature T. The outer wall 4 of the Thickness 34 is constructed in several layers. It has an external one ceramic protective layer 15 of thickness 33, a load-bearing Metal wall 3 of thickness 8. In cavity 5 and in particular on the inside 13 of the outer wall 4 is optional an aluminization layer 54 against corrosion is provided. The coating 54 can be made very thin. Is the Coating 54 is not attached, the inside 13 of the Outer wall 4 is equal to the inside 12 of the metal wall.

    Das außen anströmende heiße Aktionsfluid 2 besitzt eine gegenüber der Außenwand 4 erhöhte Temperatur T. An der Außenseite 9 der keramischen Schutzschicht 15 findet ein Wärmeübergang auf die Außenwand 4 statt. Der externe Wärmeübergang ist gekennzeichnet durch die externe Wärmeübergangszahl Wex, deren Größe angibt, wie stark Wärme auf die Außenwand 4 übergeht. Der lokale Wärmeübergang zwischen Aktionsfluid 2 und der Außenwand 4 weist für verschiedene Außenwandabschnitte 14 des Schaufelblattbereichs 7 der Turbinenschaufel 1 verschiedene externe Wärmeübergangskoeffizienten Wex auf und somit unterschiedliche Dicken 8 der Metallwand 3.The hot action fluid 2 flowing on the outside has a temperature T that is higher than that of the outer wall 4. Heat transfer to the outer wall 4 takes place on the outside 9 of the ceramic protective layer 15. The external heat transfer is characterized by the external heat transfer coefficient W ex , the size of which indicates how much heat is transferred to the outer wall 4. The local heat transfer between the action fluid 2 and the outer wall 4 has different external heat transfer coefficients W ex for different outer wall sections 14 of the airfoil area 7 of the turbine blade 1 and thus different thicknesses 8 of the metal wall 3.

    Nach Eintritt der Wärme in die Außenwand 4 erfolgt zunächst eine Wärmeleitung durch die keramische Schutzschicht 15 und daraufhin durch die Metallwand 3. Die Wärmeleitung der keramischen Schutzschicht 15 ist anders als die der Metallwand 3. Somit weist der Temperaturverlauf T am Übergang von der Innenseite 35 der keramischen Schutzschicht 15 auf die Außenseite 11 der Metallwand 3 eine Unstetigkeit auf. An der Innenseite 12 der Metallwand 3, die in diesem Fall mit der Innenseite 13 der Außenwand 4 übereinstimmt, tritt die Wärme aus der Außenwand 4 aus, was durch den internen Wärmeübergangskoeffizienten Wint beschrieben wird. An der Innenseite 13 nimmt das innen vorbeiströmende Kühlfluid 6 die Wärme mit. Der Temperaturverlauf T zeigt in diesem Bereich einen starken Abfall.After the heat has entered the outer wall 4, there is first heat conduction through the ceramic protective layer 15 and then through the metal wall 3. The heat conduction of the ceramic protective layer 15 is different from that of the metal wall 3. Thus, the temperature profile T at the transition from the inside 35 has ceramic protective layer 15 on the outside 11 of the metal wall 3 on a discontinuity. On the inside 12 of the metal wall 3, which in this case corresponds to the inside 13 of the outside wall 4, the heat emerges from the outside wall 4, which is described by the internal heat transfer coefficient W int . On the inside 13, the cooling fluid 6 flowing past takes the heat with it. The temperature curve T shows a sharp drop in this area.

    In dem Bereich des Übergangs von der keramischen Schutzschicht 15 auf die Metallwand 3 ist ein Temperaturschwellenwert TM definiert, der charakteristisch für die Temperaturbeständigkeit der Außenwandmaterials ist, u.a. für die Haftqualität der keramischen Schutzschicht 15 auf der Metallwand 3. Zwischen der maximaler Metalltemperatur </= TM und der Temperatur an der Innenseite 12 der Metallwand 3 ist ein Temperaturgradient ΔTM definiert. Er ist ein Maß für Temperaturunterschiede und somit auch für die Spannungsbelastung der Außenwand 4. Durch die erfindungsgemäße Einstellung der Dicke 8 der Metallwand 3 wird erreicht, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand 4 vorbestimmte Temperaturschwellenwerte TM und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten ΔTM zwischen der Außenseite 11 der Metallwand 3 und der Innenseite 12 der Metallwand 3, also vorbestimmten Stellen der Außenwand 4, nicht überschritten werden. Dies stellt sicher, daß die Außenwand 4 der Turbinenschaufel 1 nicht übermäßig belastet wird, die keramische Schutzschicht 15 besser auf der Metallwand 3 haftet, keine Oxidation auftritt und somit ein dauerhafter Einsatz der Turbinenschaufel 1 möglich ist. Für eine Ziellebensdauer der Schaufel von mindestens 25000 äquivalenten Betriebsstunden oder zirka 1000 Normallastzyklen gilt für aktuelle Schaufelwerkstoffe bzw. Betriebs-Lastkollektive, daß der vorbestimmte Temperaturschwellenwert TM bei annähernd 930 °C bis 950 °C liegt und der vorbestimmte Temperaturgradient ΔTM bei annähernd 200 bis 220 °C bzw. bei annähernd 260 bis 290 °C über der Metallwanddicke 8 beträgt.In the area of the transition from the ceramic protective layer 15 to the metal wall 3, a temperature threshold value T M is defined which is characteristic of the temperature resistance of the outer wall material, inter alia for the adhesive quality of the ceramic protective layer 15 on the metal wall 3. Between the maximum metal temperature </ = T M and the temperature on the inside 12 of the metal wall 3, a temperature gradient ΔT M is defined. It is a measure of temperature differences and thus also of the voltage load on the outer wall 4. By setting the thickness 8 of the metal wall 3 according to the invention, it is achieved that at least at predetermined locations on the outer wall 4 predetermined temperature threshold values T M and / or predetermined temperature gradients ΔT M between the The outside 11 of the metal wall 3 and the inside 12 of the metal wall 3, that is to say predetermined locations on the outside wall 4, are not exceeded. This ensures that the outer wall 4 of the turbine blade 1 is not excessively stressed, the ceramic protective layer 15 adheres better to the metal wall 3, no oxidation occurs and thus a permanent use of the turbine blade 1 is possible. For a target lifespan of the blade of at least 25,000 equivalent operating hours or approximately 1000 normal load cycles for current blade materials or operating load spectra, the predetermined temperature threshold value T M is approximately 930 ° C to 950 ° C and the predetermined temperature gradient ΔT M is approximately 200 to 220 ° C or at approximately 260 to 290 ° C above the metal wall thickness 8.

    Fig.3 zeigt eine Aufsicht auf den Fußbereich 26 einer Turbinenschaufel entsprechend Fig.1. Der Fußbereich 26 weist einen Einlaß 27 und einen Auslaß 28 für das Kühlfluid 6 auf. Schematisch ist die Lage des Schaufelblattbereichs 7 relativ zum Fußbereich 26 der Turbinenschaufel 1 angedeutet. Das Kühlfluid 6 durchströmt die Turbinenschaufel 1 in Mittelkühlkammern 21 mit Prallkühleinsätzen 22 und konvektiv in Vorderkühlkammern 31 im Anströmkantenbereich 32. An der Hinterkante 36 der Turbinenschaufel 1 ist eine Zusatzkühlung 56 vorgesehen, bei der es sich vorzugsweise um eine seperate, geschlossene Dampfkühlung handelt.3 shows a top view of the foot region 26 of a turbine blade according to Fig.1. The foot region 26 has one Inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6. Schematic is the position of the airfoil area 7 relative to Foot region 26 of the turbine blade 1 indicated. The cooling fluid 6 flows through the turbine blade 1 in central cooling chambers 21 with impact cooling inserts 22 and convective in front cooling chambers 31 in the leading edge area 32. On the trailing edge 36 of the turbine blade 1, additional cooling 56 is provided, which is preferably a separate, closed one Steam cooling is concerned.

    Fig.4 zeigt eine Seitenansicht mit einem Fließschema des Kühlfluids 6. Nach dem Einlaß 27 des Kühlfluids 6 in den Fußbereich 26 der Turbinenschaufel 1 durchströmt das Kühlfluid 6 in einem abgezweigten Kühlfluidteilstrom 47 den Hinterkantenbereich 36 der Turbinenschaufel 1. Ein anderer abgezweigter Kühlfluidteilstrom 48 durchströmt eine Vorderkühlkammer 31 im Anströmkantenbereich 32. Nach Verlassen des Schaufelblattbereichs 7 durchläuft das Kühlfluid 6 den Kopfbereich 25 der Turbinenschaufel 1. Daraufhin durchströmt es zunächst die auf der Saugseite 45 liegende Vorderkühlkammer 31 und nach einer Umleitung die auf der Druckseite liegende, benachbarte Vorderkühlkammer 31 bis zum Auslaß 28 im Fußbereich 26.4 shows a side view with a flow diagram of the Cooling fluid 6. After the inlet 27 of the cooling fluid 6 in the foot area 26 of the turbine blade 1 flows through the cooling fluid 6 the trailing edge region in a branched cooling fluid partial flow 47 36 of the turbine blade 1. Another branched Cooling fluid partial flow 48 flows through a front cooling chamber 31 in Leading edge area 32. after leaving the airfoil area 7, the cooling fluid 6 passes through the head region 25 of the Turbine blade 1. Thereupon it first flows through the the front cooling chamber 31 lying on the suction side 45 and after one Redirection of the adjacent front cooling chamber on the pressure side 31 to outlet 28 in foot area 26.

    Ein weiterer, vom zugeführten Kühlfluid 6 abgezweigter Kühlfluidteilstrom 49 durchströmt eine erste Mittelkühlkammer 21, die einen Prallkühleinsatz 22 aufweist. Nach Durchgang durch den Kopfbereich 25 durchströmt das Kühlfluid 6 seriell die zweite Kühlkammer 21, die ebenfalls einen Prallkühleinsatz 22 aufweist, in umgekehrter Richtung wie die erste. Nach Erreichen des Fußbereichs 26 der Turbinenschaufel 1 werden die verschiedenen Ströme zusammengeleitet und durch den Auslaß 28 aus der Turbinenschaufel 1 entlassen. Das Kühlfluid 6 wird zugleich zum Durchströmen des Schaufelblattbereichs 7 und des Kopf- 25 und des Fußbereichs 26 benutzt. Es ist lediglich ein einziger geschlossener Kreislauf für das Kühlfluid 6 notwendig, was die Handhabung vereinfacht und die Herstellungskosten verringert.Another cooling fluid partial flow branched off from the supplied cooling fluid 6 49 flows through a first central cooling chamber 21, which has an impact cooling insert 22. After passing through the cooling fluid 6 flows serially through the head region 25 second cooling chamber 21, which also has an impact cooling insert 22 has, in the opposite direction to the first. After reaching of the foot region 26 of the turbine blade 1 various streams are brought together and through outlet 28 released from the turbine blade 1. The cooling fluid 6 is at the same time to flow through the airfoil area 7 and the Head 25 and foot area 26 used. It's just a only closed circuit for the cooling fluid 6 is necessary, which simplifies handling and the manufacturing costs decreased.

    Der Kopf- 25 und der Fußbereich 26 sind mittels einfacher Schweiß- oder Lötverbindungen 24 an dem Schaufelblattbereich 7 der Turbinenschaufel 1 befestigt bzw. mit Abschlußplaten 17 verschlossen. Diese einfache Art der Befestigung ist aufgrund des einfachen Aufbaus des Hohlraums 5 möglich. In dem Kopf25 und Fußbereich 26 können zur Unterstützung der Kühlwirkung des Kühlfluids 6 Prallkühleinsätze 22 untergebracht sein, was nicht dargestellt ist.The head area 25 and the foot area 26 are simpler by means of Weld or solder joints 24 on the airfoil area 7 of the turbine blade 1 attached or with end plates 17th locked. This simple type of attachment is due the simple construction of the cavity 5 possible. In the head 25 and foot area 26 can support the cooling effect of the cooling fluid 6 impingement inserts 22 are housed what is not shown.

    Fig.5 zeigt in einem vergrößernden Schnitt schematisch Rippen 16, die zur Verstärkung der ausgedünnten Bereiche der Außenwand 4 eingesetzt sind. Die Aufsicht auf die Rippen 16 aus Fig.1 erfolgt in Querrichtung, so daß nur Rippen 16 quer zur Strömungsrichtung des Kühlfluids 6 sichtbar sind. Entlang einer Rippe 16 sind Rippenqueröffnungen 19 vorbestimmter Maße und Abstände angebracht, wie in Fig. 1 und Fig.7 dargestellt. Sie dienen dem Queraustausch und der zusätzlichen Verwirbelung des Kühlfluids 6, wodurch die Kühlwirkung des Kühlfluids 6 verbessert wird. Variiert werden kann hierbei beispielsweise die Höhe 42 der Rippenqueröffnungen 19 sowie ihr Abstand 52 vom Kopf 50 der Rippe 16, s. Fig.6, wie auch der Abstand 43 der Rippenqueröffnungen 19. Bei der Abstimmung des Rippenfeldes auf die Anforderungen aufgrund der eingestellten Dicke 34 der Außenwand 4 können die oben genannten Maße, Abstände und räumlichen Anordnungen in bestimmten Grenzen verändert werden. Die Grenzen sind einerseits dadurch bestimmt, daß eine gute Kühlung erhalten werden muß, anderseits soll eine ausreichende Stabilität der nach Maßgabe der Wärmeübergangszahlen lokal mit einer geringen Dicke ausgebildeten Außenwand 4 gegeben sein. Für letztere ist es notwendig, die Rippen 16 enger anzuordnen, andererseits dürfen sie nicht zu eng sein, so daß das Kühlfluid 6 nicht lediglich über sie hinwegströmt und möglicherweise nicht verwirbelt wird. Die Höhe 41 der Rippen 16 beträgt ungefähr das Ein- bis Zweifache der Außenwanddicke 34. Die mittragende Breite 38 der Rippen 16 beträgt ungefähr das Vierfache der Dicke 34 der Außenwand 4. In den Bereichen der Anströmkante 32 befinden sich vorzugsweise keine Rippen beziehungsweise mur konventionelle Turbulatoren wie auch im Hinterkantenbereich 36.Fig. 5 shows schematically ribs in an enlarged section 16, which reinforce the thinned areas of the outer wall 4 are used. The supervision of the ribs 16 from Fig.1 takes place in the transverse direction, so that only ribs 16 transverse to Flow direction of the cooling fluid 6 are visible. Along one Rib 16 are transverse rib openings 19 of predetermined dimensions and spacing attached, as shown in Fig. 1 and Fig. 7. They serve the cross exchange and the additional swirling of the cooling fluid 6, whereby the cooling effect of the cooling fluid 6 is improved. This can be varied, for example the height 42 of the rib openings 19 and their distance 52 from the head 50 of the rib 16, s. Fig.6, as well as the distance 43 of the cross rib openings 19. When tuning the Ribbed field to the requirements based on the set Thickness 34 of the outer wall 4 can have the above dimensions, distances and spatial arrangements changed within certain limits become. The limits are determined on the one hand by that good cooling must be maintained, on the other hand Adequate stability in accordance with the heat transfer coefficients locally formed with a small thickness Outside wall 4 may be given. For the latter it is necessary that Arrange ribs 16 closer, on the other hand they must not be tight so that the cooling fluid 6 is not just over it flows away and may not be swirled. The Height 41 of the ribs 16 is approximately one to two times the outer wall thickness 34. The load-bearing width 38 of the ribs 16 is approximately four times the thickness 34 of the outer wall 4. In the areas of the leading edge 32 are preferably no ribs or conventional Turbulators as well as in the rear edge area 36.

    Fig.6 zeigt eine beispielhafte Anordnung von Rippenqueröffnungen 19. Sie weisen eine längliche ovale Form auf. Sie bewirken einen Queraustausch und eine Verwirbelung der vorbeiströmenden Kühlfluids 6, wobei sie jedoch so beabstandet angeordnet sind, daß sie die Stabilität der Rippen 16 nicht beeinträchtigen, die zur Stabilisierung der dünnen Außenwandbereiche 14 dienen.6 shows an exemplary arrangement of cross rib openings 19. They have an elongated oval shape. They effect a cross exchange and a swirl of the flowing past Cooling fluid 6, but arranged so spaced are that they do not affect the stability of the ribs 16, to stabilize the thin outer wall areas 14 serve.

    Fig.7 zeigt einen Schnitt durch einen Schaufelblattbereich 7 einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel 1 mit variierender Außenwanddicke 34. Der von der Außenwand 4 umgebene Hohlraum 5 weist sechs Kühlkammern 21 auf, zwei Vorderkühlkammern 31 im Bereich der Anströmkante 32 sowie eine Hinterkühlkammern 53 im Hinterkantenbereich 36. Die sechs Mittelkühlkammern 21 sind durch Innenwände 20 voneinander getrennt. Die Mittelkühlkammern 21 weisen etwa gleiche Strömungsquerschnitte auf. Sie sind nach einem in Fig.3 dargestellten Fließschema seriell von dem Kühldampf 6 durchströmt. Die Wanddicke 8 der Metallwand 3 variiert über den Umfang von annähernd 1 bis 2,2 mm, nach demselben Prinzip, wie bereits bei der niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel beschrieben, d.h. zum Ausgleich der sich über der Querschnitt des Schaufelblatts 7 ändernden Wärmeübergangszahlen Wex, Wint. Die Übergänge zwischen Bereichen 14 unterschiedlichen Wanddicken 8 sind jeweils kontinuierlich, entsprechend den Bereichen 10, ausgeführt, das heißt stetig, vorzugsweise linear oder mittels anderer Funktionen interpoliert.7 shows a section through an airfoil area 7 of a medium-pressure-steam-cooled turbine guide vane 1 with a varying outer wall thickness 34. The cavity 5 surrounded by the outer wall 4 has six cooling chambers 21, two front cooling chambers 31 in the region of the leading edge 32 and a rear cooling chamber 53 in the rear edge region 36 six middle cooling chambers 21 are separated from one another by inner walls 20. The central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections. The cooling steam 6 flows through them in series according to a flow diagram shown in FIG. The wall thickness 8 of the metal wall 3 varies over the circumference from approximately 1 to 2.2 mm, according to the same principle as already described for the low-pressure steam-cooled turbine guide vane, ie to compensate for the heat transfer coefficients W ex , W int that change over the cross section of the airfoil 7. The transitions between areas 14 of different wall thicknesses 8 are each continuous, corresponding to areas 10, that is to say continuous, preferably linear or interpolated by means of other functions.

    Die Turbinenschaufel 1 weist an der gesamten Innenseite 13 der Außenwand 4, ausgenommen dem Hinterkantenbereich 36, Rippenfelder auf, die zur Unterstützung der ausgedünnten Außenwand 4 dienen. Der Mitteldruckdampf weist gegenüber dem Niederdruckdampf einen nahezu doppelt so großen Druck auf (annähernd 30 bar gegenüber annähernd 15 bar). Somit ist die Innendruckbelastung der Außenwand 4 wesentlich stärker und ein Hinzufügen von weiteren Rippenfeldern vonnöten. Vorteilhaft ist dabei jedoch, daß der Mitteldruckdampf einen verbesserten Wärmeabtransport und damit günstigere interne Wärmeübergangszahlen Wint gewährleistet. Die Rippen 16 weisen wiederum vorbestimmte Abstände und Dimensionen auf und sind mit Querströmungsöffnungen 19 ausgestattet. Die Rippen 16 liegen im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung 18, die parallel zur radialen Achse des Schaufelblatts 7 erfolgt.The turbine blade 1 has rib fields on the entire inside 13 of the outer wall 4, with the exception of the trailing edge region 36, which serve to support the thinned outer wall 4. The medium pressure steam is almost twice as large as the low pressure steam (approximately 30 bar compared to approximately 15 bar). Thus, the internal pressure load on the outer wall 4 is much stronger and additional rib fields are required. However, it is advantageous that the medium-pressure steam ensures improved heat dissipation and thus more favorable internal heat transfer coefficients W int . The ribs 16 again have predetermined distances and dimensions and are equipped with cross-flow openings 19. The ribs 16 are essentially transverse to the flow direction 18, which is parallel to the radial axis of the airfoil 7.

    Der Kühlmassenfluß kann durch Hinzufügen oder Weglassen von Strömungswiderständen 51, die in Fig. 4 nur schematisch angedeutet sind, so eingestellt werden, daß ein gewünschter Kühlstrom und ein interner Wärmeübergang bzw. Wärmeübergangszahl Wint eintritt, der an die variierende Wanddicke 34 der Außenwand 4 angepaßt ist. The cooling mass flow can be adjusted by adding or omitting flow resistances 51, which are only indicated schematically in FIG. 4, in such a way that a desired cooling flow and an internal heat transfer or heat transfer coefficient W int occurs, which is adapted to the varying wall thickness 34 of the outer wall 4 is.

    Fig.8 zeigt eine Aufsicht auf einen Fußbereich 26 einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenschaufel aus Fig.7 mit einem Einlaß 27 und einem Auslaß 28 für das Kühlfluid 6.8 shows a top view of a foot region 26 of a medium-pressure steam-cooled Turbine blade from Figure 7 with a Inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.

    Fig.9 zeigt einen Längsschnitt einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenschaufel nach Fig.7 mit einem Fuß- 26, einem Schaufelblatt- 7 und einem Kopfbereich 25 und ein Fließschema des Mitteldruckkühldampfes. Die Mittelkühlkammern 21 werden seriell und die Vorder- 31 und die Hinterkühlkammer teilweise parallel vom Kühlfluid 6 durchströmt. Der Fuß- 26 und der Kopfbereich 25 sind an den Schaufelblattbereich 7 angeschweißt oder angelötet. Sie werden durch einen geschlossenen Kreislauf mit demselben Kühlfluid 6 gekühlt wie der Schaufelblattbereich 7. Dies verringert die benötigte Kühlmittelmenge und vereinfacht den Aufbau des Hohlraums 5 beziehungsweise der Innenräume des Kopf- 25 und Fußbereichs 26.9 shows a longitudinal section of a medium-pressure steam-cooled Turbine blade according to Figure 7 with a foot 26, one Airfoil 7 and a head region 25 and a flow diagram of the medium pressure cooling steam. The middle cooling chambers 21 are serial and the front 31 and the rear cooling chamber partially flows in parallel from the cooling fluid 6. The foot 26 and the Head area 25 are welded to the airfoil area 7 or soldered. They are closed by a Circuit cooled with the same cooling fluid 6 as the airfoil area 7. This reduces the amount of coolant required and simplifies the construction of the cavity 5 respectively the interiors of the head 25 and foot areas 26.

    Fig.10 zeigt eine Schemazeichnung des Kühlmittelflusses durch eine mitteldruckdampfgekühlte Turbinenschaufel aus Fig.7. In dem Einlaßbereich 27 können verschiedene Strömungswiderstände 51 in unterschiedliche Kühlkammern 21 gelegt werden, so daß der Teilmassenströme des Kühlfluids 6 eingestellt werden können. Ein vergrößerter Massenstrom bewirkt eine vergrößerte Kühlwirkung, aber auch erhöhte Druckverluste.10 shows a schematic drawing of the coolant flow through a medium-pressure steam-cooled turbine blade from Fig. 7. In The inlet area 27 can have different flow resistances 51 are placed in different cooling chambers 21, so that the partial mass flows of the cooling fluid 6 can be adjusted. An enlarged mass flow causes an enlarged one Cooling effect, but also increased pressure drops.

    Fig.11 zeigt eine Schemazeichnung einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel. Der Hohlraum 5 weist fünf Mtteilkühlkammern 21, der vordere Bereich 32 zwei Vorderkühlkammern 31 und der hintere Bereich 36 eine Hinterkühlkammer 53 auf. Die Mittelkühlkammern 21 haben etwa gleiche Strömungsquerschnitte, die Wanddicke 8 der Außenwand 4 ist nahezu konstant. Aufgrund der ausreichenden Versteifung durch die Innenwände 20 sind keine Rippen 16 notwendig.11 shows a schematic drawing of a medium-pressure steam-cooled Turbine guide vane. The cavity 5 has five Partial cooling chambers 21, the front region 32 two front cooling chambers 31 and the rear area 36 a rear cooling chamber 53 on. The central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections, the wall thickness 8 of the outer wall 4 is almost constant. Due to the sufficient stiffening by the Inner walls 20 do not require ribs 16.

    Fig.12 zeigt ein Fließschema der Turbinenschaufel aus Fig. 11.12 shows a flow diagram of the turbine blade from FIG. 11.

    Claims (27)

    Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel, die eine von einem heißen Aktionsfluid (2) angeströmte Außenwand (4) hat, die einen gegebenenfalls mehrteiligen Hohlraum (5) umgibt, der von einem Kühlfluid (6) durchströmt ist, wobei die Außenwand (4) über den Umfang des Schaufelblattbereichs (7) der Turbinenschaufel (1) unterschiedlich dick ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (34) der Außenwand (4) zumindest über einen Teilumfang des Schaufelblattbereichs (7) nach Maßgabe des Verlaufs der externen Wärmeübergangszahl (Wex) an der Außenseite (9) der Außenwand (4) und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl (Wint) an der Innenseite (13) der Außenwand (4) kontinuierlich so verläuft, daß vorbestimmte Temperaturschwellenwerte (TM) an der Außenwand (4) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) über der Außenwand (4) zwischen vorbestimmten Stellen der Außenwand (4) nicht überschritten werden.
    Turbine blade (1), in particular gas turbine blade, which has an outer wall (4) against which a hot action fluid (2) flows, which surrounds a possibly multi-part cavity (5) through which a cooling fluid (6) flows, the outer wall (4) the thickness of the blade area (7) of the turbine blade (1) is different,
    characterized in that the thickness (34) of the outer wall (4) at least over a partial circumference of the airfoil area (7) in accordance with the course of the external heat transfer coefficient (W ex ) on the outside (9) of the outer wall (4) and the course of the internal Heat transfer coefficient (W int ) on the inside (13) of the outer wall (4) runs continuously such that predetermined temperature threshold values (T M ) on the outer wall (4) and / or predetermined temperature gradients (ΔT M ) over the outer wall (4) between predetermined Positions of the outer wall (4) must not be exceeded.
    Turbinenschaufel nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (4) mehrschichtig aufgebaut ist und außen an der Außenwand (4) eine dünne keramische Schutzschicht (15) und innen eine Metallwand (3) aufweist und daß derjenige Temperaturgradient (ΔTM) maßgeblich ist, der zwischen der Außenseite (11) und der Innenseite (12) der Metallwand (3) anliegt.
    Turbine blade according to claim 1
    characterized in that the outer wall (4) has a multilayer structure and has a thin ceramic protective layer (15) on the outside of the outer wall (4) and a metal wall (3) on the inside, and that the temperature gradient (ΔT M ) that is between the outside is decisive (11) and the inside (12) of the metal wall (3).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschwellenwert (TM) an der gesamten Außenwand (4) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) über der gesamten Außenwand (4) nicht überschritten werden.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 3
    characterized in that the temperature threshold (T M ) on the entire outer wall (4) and / or predetermined temperature gradients (ΔT M ) over the entire outer wall (4) are not exceeded.
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschwellenwert (TM) und der Temperaturgradient (ΔTM) kritischen, werkstoff- und spannungsabhängigen Werten entsprechen.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 4
    characterized in that the temperature threshold value (T M ) and the temperature gradient (ΔT M ) correspond to critical, material and voltage-dependent values.
    Turbinenschaufel nach Anspruch 3 oder 4
    dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand einschichtig ist und aus Metall besteht.
    Turbine blade according to claim 3 or 4
    characterized in that the outer wall is single-layer and consists of metal.
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (5) ein Feld aus Rippen (16) dort vorgesehen ist, wo ein Außenwandbereich (14) geringerer Dicke (34) vorliegt.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 5,
    characterized in that a field of ribs (16) is provided in the cavity (5) where there is an outer wall region (14) of reduced thickness (34).
    Turbinenschaufel nach Anspruch 6
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (16) des Felds nach Maßgabe der Dicke (34) der Außenwand (4), des Temperaturschwellenwerts (TM) und/oder des Temperaturgradienten (ΔTM) und der von Mises-Vergleichsspannung vorbestimmte Maße, Abstände und räumliche Anordnungen aufweisen.
    Turbine blade according to claim 6
    characterized in that the ribs (16) of the field in accordance with the thickness (34) of the outer wall (4), the temperature threshold (T M ) and / or the temperature gradient (ΔT M ) and the dimensions, distances and have spatial arrangements.
    Turbinenschaufel nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der Rippen (16) zumindest abschnittsweise quer zur Strömung (18) des Kühlfluids (6) verläuft.
    Turbine blade according to claim 6 or 7,
    characterized in that the field of the ribs (16) extends at least in sections transversely to the flow (18) of the cooling fluid (6).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (16) Queröffnungen (19) aufweisen.
    Turbine blade according to one of claims 6 to 8,
    characterized in that the ribs (16) have transverse openings (19).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (5) von der Druckseite (46) zur Saugseite (45) in Längsrichtung der Turbinenschaufel (1) von Innenwänden (20) durchzogen ist, wobei die Innenwände (20) an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand (4) unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke (34) der Außenwand (4) angeschlossen sind.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 9,
    characterized in that the cavity (5) from the pressure side (46) to the suction side (45) in the longitudinal direction of the turbine blade (1) is traversed by inner walls (20), the inner walls (20) being connected to the pressure-side or suction-side outer wall (4 ) are continuously connected to the continuous course of the thickness (34) of the outer wall (4).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (5) mit einer Aluminisierungsschicht (54) versehen ist.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 10,
    characterized in that the cavity (5) is provided with an aluminizing layer (54).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid (6) in einem geschlossenen Kreislauf durch die Turbinenschaufel (1) geführt wird.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 11,
    characterized in that the cooling fluid (6) is guided in a closed circuit through the turbine blade (1).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (27) und der Auslaß (28) des Kühlfluids (6) im Fußbereich (26) angeordnet sind.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 12,
    characterized in that the inlet (27) and the outlet (28) of the cooling fluid (6) are arranged in the foot region (26).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf- (25) und Fußbereich (26) der Turbinenschaufel (1) zugleich mit dem Kühlfluid (6) des Schaufelblattbereichs (7) gekühlt wird.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 13,
    characterized in that the top (25) and foot region (26) of the turbine blade (1) is cooled at the same time as the cooling fluid (6) of the blade area (7).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufel (1) eine Laufschaufel ist und die Wanddicken (30) der Innenwände (20) im Hohlraum (5) nach Maßgabe einer lokalen Wärmeübergangszahl lokal variieren.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 14,
    characterized in that the turbine blade (1) is a moving blade and the wall thicknesses (30) of the inner walls (20) in the cavity (5) vary locally in accordance with a local heat transfer coefficient.
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelbereich (55) des Schaufelblattbereichs (7) von Innenwänden (20) gebildete Mittelkühlkammern (21) vorgesehen sind, die seriell vom Kühlfluid (6) durchströmt sind.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 15,
    characterized in that central cooling chambers (21) formed by inner walls (20) and through which cooling fluid (6) flows are provided in the central region (55) of the airfoil region (7).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelbereich (55) des Schaufelblattbereichs (7) von Innenwänden (20) gebildete Mittelkühlkammern (21) vorgesehen sind, die parallel vom Kühlfluid (6) durchströmt sind.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 15,
    characterized in that central cooling chambers (21) formed by inner walls (20) and through which the cooling fluid (6) flows in parallel are provided in the central region (55) of the airfoil region (7).
    Turbinenschaufel nach Anspruch 16 oder 17,
    dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Mittelkühlkammern (21) einen Prallkühleinsatz (22) mit nach außen gerichteten Prallkühlbohrungen (23) aufweist, die mit Abstand von der Innenseite (13) der Außenwand (4) angeordnet und die vom Kühlfluid (6) durchströmt sind.
    Turbine blade according to claim 16 or 17,
    characterized in that at least one of the central cooling chambers (21) has an impingement cooling insert (22) with outward impinging cooling bores (23) which are arranged at a distance from the inside (13) of the outer wall (4) and through which the cooling fluid (6) flows .
    Turbinenschaufel nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkühleinsatz (22) von auf der Innenseite (13) der Außenwand (4) und/oder von auf der Innenwand (20) und/oder von auf Rippen (16) angebrachten Abstandshaltern (44) gehalten ist.
    Turbine blade according to claim 18,
    characterized in that the impact cooling insert (22) is held on the inside (13) of the outer wall (4) and / or on the inner wall (20) and / or on spacers (44) attached to ribs (16).
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß an der Hinterkante (36) der Turbinenschaufel (1) eine Zusatzkühlung (56) vorhanden ist.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 19,
    characterized in that additional cooling (56) is provided on the rear edge (36) of the turbine blade (1).
    Turbinenschaufel nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkühlung (56) eine separate, geschlossene Dampfkühlung ist.
    Turbine blade according to claim 20,
    characterized in that the additional cooling (56) is a separate, closed steam cooling.
    Turbinenschaufel nach Anspruch 20
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkühlung (56) eine Luftkühlung mit freiem Austritt ist.
    Turbine blade according to claim 20
    characterized in that the additional cooling (56) is air cooling with a free outlet.
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 22,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid (6) Dampf ist.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 22,
    characterized in that the cooling fluid (6) is steam.
    Turbinenschaufel nach Anspruch 23
    dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf ein Niederdruckdampf ist.
    Turbine blade according to claim 23
    characterized in that the steam is a low pressure steam.
    Turbinenschaufel nach Anspruch 23
    dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf ein Mitteldruckdampf ist.
    Turbine blade according to claim 23
    characterized in that the steam is a medium pressure steam.
    Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 25,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Turbinenschaufel (1) dem Verlauf einer aerodynamisch vorgegebenen Form entspricht und daß die Dicke (34) der Außenwand (4) zum Hohlraum (5) hin variiert.
    Turbine blade according to one of claims 1 to 25,
    characterized in that the outer contour of the turbine blade (1) corresponds to the shape of an aerodynamically predetermined shape and that the thickness (34) of the outer wall (4) varies towards the cavity (5).
    Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mit einer Außenwand (4), die entlang eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich (7) der Turbinenschaufel (1) unterschiedlich dick ist, und mit den weiteren Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 26, wobei das Verfahren ein Gußverfahren umfaßt, bei dem eine Gußform verwendet wird, die einen Gußkern enthält, zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 26,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform so andeordnet wird, daß der Profilverlauf der Außenkontur des Gußkerns der Differenz zwischen einem aerodynamisch vorgegebenen äußeren Profilverlauf eines Turbinenschaufelblatts (7) und einer Funktion entspricht, die nach Maßgabe des Verlaufs der externen Wärmeübergangszahl (Wex) an der Außenseite (9) der Außenwand (4) der Turbinenschaufel (1) und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl (Wint) an der Innenseite (13) der Außenwand (4) der Turbinenschaufel (1) kontinuierlich so verläuft, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand (4) vorbestimmte Temperaturschwellenwerte (TM) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) nicht überschritten werden.
    A method for producing a turbine blade, in particular a gas turbine blade, with an outer wall (4) which has different thicknesses along a cross section through the blade area (7) of the turbine blade (1), and with the further features of one of claims 1 to 26, wherein the A method comprises a casting process, in which a casting mold containing a casting core is used for producing a turbine blade according to the features of one of claims 1 to 26,
    characterized in that the casting mold is arranged in such a way that the profile profile of the outer contour of the casting core corresponds to the difference between an aerodynamically predetermined external profile profile of a turbine airfoil (7) and a function which corresponds to the profile of the external heat transfer coefficient (W ex ) on the outside (9) the outer wall (4) of the turbine blade (1) and the course of the internal heat transfer coefficient (W int ) on the inside (13) of the outer wall (4) of the turbine blade (1) so that at least at predetermined locations on the outer wall (4) predetermined temperature threshold values (T M ) and / or predetermined temperature gradients (ΔT M ) are not exceeded.
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