EP1167689A1 - Konfiguration einer kühlbaren Turbinenschaufel - Google Patents

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EP1167689A1
EP1167689A1 EP00113298A EP00113298A EP1167689A1 EP 1167689 A1 EP1167689 A1 EP 1167689A1 EP 00113298 A EP00113298 A EP 00113298A EP 00113298 A EP00113298 A EP 00113298A EP 1167689 A1 EP1167689 A1 EP 1167689A1
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EP
European Patent Office
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turbine blade
trailing edge
flow
channel
blade according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00113298A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Tiemann
Michael Strassberger
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 EP00113298A priority Critical patent/EP1167689A1/de
Priority to JP2002504770A priority patent/JP4683818B2/ja
Priority to EP01949387A priority patent/EP1292760B1/de
Priority to US10/311,935 priority patent/US6835046B2/en
Priority to CNB018113273A priority patent/CN1283901C/zh
Priority to DE50115690T priority patent/DE50115690D1/de
Priority to PCT/EP2001/006502 priority patent/WO2001098634A1/de
Publication of EP1167689A1 publication Critical patent/EP1167689A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade through which cooling fluid flows according to the preamble of claim 1.
  • Such a turbine blade through which cooling fluid flows has internal ones Flow channels separated by inner walls are.
  • the turbine blade is exposed to the working fluid flows around. It can be a turbine blade of a gas turbine act. Then the working fluid is gas.
  • the turbine blade is inclined towards the incoming working fluid so that in the usual way a force component in the circumferential direction the turbine is created. Therefore, the outflow direction of the Working fluids essentially the direction along the Turbine blade in which the working fluid flows around it.
  • the type mentioned is a turbine blade in the back of a turbine. There is the working fluid already relaxed and cooled so far that only low-cooled turbine blades are used. This means that only a lower flow of Cooling fluid is provided by the turbine. Because of the low A meandering structure works through Flow channels for the cooling fluid in low-cooled turbine blades not satisfactory. Because of the slow Flow rate of the cooling fluid would this in Initial area of a meandering flow channel too strong cool and be overheated in the end area and there consequently cool too little. With the mentioned turbine blades can also the flow rate of the Cooling fluids with regard to the centrifugal forces that occur the turbine rotation is too low.
  • the turbine blade is simply along its length Radial extent through which the cooling fluid flows.
  • simple Flow - that is practical for flow channels without reversals with respect to the radial direction of the cooling fluid flow - the above problems do not occur.
  • the resulting cooling fluid flow then has the desired, local - practically at any location of the flow channel predominantly to only radially outwards directed radial flow components.
  • the invention has the advantage that it is a homogeneous cooling the turbine blade, especially in the area of the edges, allowed.
  • the area is particularly problematic here of the trailing edge duct, in which the fluidic requirements e.g. a narrowing of the turbine blade desire.
  • a triple benefit is achieved: this is how it works namely possible for the first time, the rear edge of an inventive Turbine blade to cool effectively and homogeneously at the same time a thin trailing edge (in the sense of an improved Aerodynamics). Furthermore, for the trailing edge channels a natural outflow of the cooling fluid is achieved, which also allows the ones in front of the trailing edge channels front flow channels in their geometry and in particular in their outflow behavior to the technical requirements adapt.
  • front flow channels Apply more discharge length along the brushing edge can than was previously the case. Because the trailing edge channels on the one hand, further in the outflow direction to the rear edge are displaced and, on the other hand, evade through their curved shape, can the front flow channels fill in the free space. The front flow channels can due to the local cross flow components the trailing edge channels should also be bent such that they also have local cross-flow components. Thereby is a different use of space within the cooling volume of the Turbine blade given with better utilization of the cooling air.
  • the flow channels can be shaped such that cross flow components in the outflow direction and in the opposite direction are. However, preference is given exclusively or predominantly Cross flow components are provided in the outflow direction.
  • the cross flow components cause a flow through the Trailing edge that was not previously available. Through use of the cross flow components mentioned will Cooling fluid further automatically to the outflow openings led in the rear edge.
  • a trailing edge channel and / or a front one Flow channel at least in sections, in particular with his / her outer radial sections, from the radial direction turn in the outflow direction.
  • the turning sections are rounded.
  • the turning sections then run without edges with curvature.
  • trailing edge channels There can be several trailing edge channels.
  • the last trailing edge duct when viewed in the outflow direction practically exclusively brought into the rear edge Outflow openings provided.
  • the last trailing edge channel can also be at a radial distance end radially in front of the brushing edge. According to the invention this channel does not need any outflow openings at all in the rubbing edge. It only makes one special effective shaping of the turbine blade - in particular with regard to the efficiency of the turbine.
  • a radially continuous trailing edge channel be present, which both introduced into the brushing edge Outflow openings and introduced into the rear edge Has outflow openings.
  • a radial one Trailing edge channel forms the transition between one front flow channel and a trailing edge channel that only Has outflow openings in the rear edge are introduced.
  • the trailing edge channel has a smooth transition. Thereby can use the available cooling volume effectively become.
  • the last trailing edge channel can be radial outflow openings located further in the rear edge and the radially continuous trailing edge channel radially further out, inserted in the rear edge Have outflow openings.
  • an opening that is a breakthrough in the interior between the two flow channels is then interrupted at the point of the opening.
  • the continuous connection serves to ensure pourability in the To make sense of the core location.
  • the invention achieves that the local, resulting, effective internal cross-section practically over the entire length of a flow channel except for the flow resistance of the flow channel practically negligible cross-sectional deviations is the same size.
  • the cross-sectional deviations are preferably less than twenty percent and especially less than ten percent of the internal cross-section mentioned.
  • the resulting effective total cross-sectional area of the Inflow openings are preferably equal to the total cross-sectional area the outflow openings of a flow channel, the respective total cross-sectional area the inner cross-section of the associated flow channel.
  • a turbine blade according to the invention is slightly cooled, i.e. executed without meandering structure of the flow channels. she is used for the rear area of a turbine and / or for low cooled turbines / turbine blades used.
  • the turbine blade 1 is of the working fluid 3 - which shown in FIG. 1 only as an excerpt is - flows around in the outflow direction 2, whereby the Work output generated or the turbine driven becomes.
  • the turbine blade 1 is exposed to the cooling fluid 31 also exemplarily and in part in the figure 2 is shown - flows along the flow channels 4,5,6. As a result, the turbine blade 1 is cooled.
  • the Cooling fluid 31 can be (cooled) air, for example.
  • Such a turbine blade 1 has a blade root 10 which into a corresponding groove in the turbine disc (not shown here) inserted and fastened there. Swearing the inflow openings 7, 8, 9 shown with corresponding openings in the turbine disc. Through this the cooling fluid 31 fed to the flow channels 4,5,6.
  • the flow channels 4, 5, 6 run between the inflow openings 7,8,9 on the radially inner blade root 10 and in contrast outlets located further radially outward 11,12,13. They run without reversal points with respect to the radial direction 20, i.e. practically reversible.
  • the cooling fluid 31 thus flows through the radial extent in each flow channel 4, 5, 6 the turbine blade 1 is simply simple.
  • Cooling fluid flow 14 locally practically only radially outside - and not radially inward Radial flow components 15 (see Figure 2). All radial flow components 15 thus point from the center of the Turbine turn away.
  • a turbine blade 1 is also then slightly cooled and thus for the implementation of the invention suitable if their flow channels are practically predominant radially outward radial flow components 15 exhibit.
  • the flow channels 4,5,6 separated by the inner walls 30 are curved in the embodiment shown that the resulting cooling fluid flow 14 in addition to those mentioned Radial flow components 15 local cross flow components 17 has.
  • the resulting cooling fluid flow is shown in FIG. 2 for clarification 14 in the flow channels 4,5 schematically in each a radial flow component 15 and a cross flow component 17 disassembled.
  • the radial flow components 15 all point radially outwards. This is the cooling fluid flow 14 with respect to the radial direction 20 practically inversely.
  • the cross flow components 17 are on each point directed locally in the outflow direction 2. Thereby the cooling fluid 31 of the last trailing edge channel 6 Outflow openings 13 in the trailing edge 18, which are further radial lying inside, fed.
  • Trailing edge channels 5, 6 Two trailing edge channels 5, 6 are shown in the figures. Both trailing edge channels 5, 6 open into the outflow openings 13.23 in the rear edge 18.
  • the radially continuous Trailing edge channel 5 opens into the further radially outside lying outflow openings introduced into the rear edge 18 23 and at the same time into the rubbing edge 16 introduced outflow opening 12. So that the further radial outflow openings 23 on the outside through the cooling fluid 31 acted upon in the radially continuous trailing edge channel 5 the last seen in the outflow direction 2 ends Trailing edge channel 6 at a radial distance 22 radially inside in front of the rubbing edge 16. This leaves the outflow openings 23 through the last trailing edge channel 6 without pressure.
  • the trailing edge channels 5, 6 communicate via an opening 24, which in the middle (with respect to the radial direction 20) of the radially continuous trailing edge channel 5 and on the radially outer End of the last trailing edge channel 6 is arranged.
  • the front flow channel 4 seen in the outflow direction 2 expands towards the outside in the radial direction 20 its extension in the outflow direction 2 (i.e. the width).
  • the front flow channel 4 is also curved, that local, resulting cross-flow components 17 are present are.
  • the inner walls 30, the flow channels 4,5,6 separate from each other are over the entire radial extent the turbine blade 1 of practically the same strength.
  • the front flow channel 4 therefore follows in its course Trailing edge channels 5.6 and nestles against them, so that the interior of the turbine blade 1 is practically complete is penetrated by the flow channels 4,5,6.
  • Another new feature of the invention is that the trailing edge channels 5,6 the area of the rear edge 18 of the turbine blade 1 push through practically to a remaining outer wall thickness.
  • This wall thickness - as well as the size of the cast core a cast turbine blade, i.e. the size of the cavities - are down by the technical parameters of the Manufacturing process limited.
  • the rear edge 18 results in a total of the rear edge 18 including homogeneous cooling of the turbine blade 1.
  • the surface pieces 25 are simply hatched. You should one of the same size within each flow channel Mark the area. To clarify the conditions are the areas are not reproduced to scale.
  • the patch 25 is about the cross-sectional deviations 27 in the radial direction 20 bigger.
  • the cross-sectional deviation is 27 preferably less than twenty percent, especially less than ten percent of the inner cross section 25. Also in the radial outer area of the front flow channel 4, where the Turbine blade 1 narrowed, this inner cross section 25 (not shown explicitly) remain the same. To achieve the front flow channel 4 widens for this purpose in the radial direction 20 outwards.

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Abstract

Es handelt sich um eine kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel (1), mit mehreren, in Abströmrichtung (2) des Arbeitsfluids (3) benachbart angeordneten Strömungskanälen (4,5,6), die zwischen Einströmöffnungen (7,8,9) an einem radial inneren Schaufelfuß (10) und demgegenüber weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen (11,12,13) derart verlaufen, daß die lokalen Radialströmungskomponenten (15) der resultierenden Kühlfluidströmung (14) praktisch überwiegend nach radial außen gerichtet sind, wobei ein in Abströmrichtung (2) gesehen vorderer Strömungskanal (4) vorhanden ist, dessen Ausströmöffnungen (11) in eine Anstreifkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind. Weiterhin ist zumindest ein Hinterkantenkanal (5,6) vorhanden, dessen zugehörige, resultierende Kühlfluidströmung (14) zusätzlich lokale Querströmungskomponenten (17) aufweist und dessen Ausströmöffnungen (12,13) in eine Hinterkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche, kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel hat innere Strömungskanäle, die durch Innenwände voneinander getrennt sind. Die Turbinenschaufel wird von dem Arbeitsfluid umströmt. Es kann sich um eine Turbinenschaufel einer Gasturbine handeln. Dann ist das Arbeitsfluid Gas. Die Turbinenschaufel ist gegenüber dem anströmenden Arbeitsfluid geneigt, so daß in üblicher Weise eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung der Turbine entsteht. Daher ist die Abströmrichtung des Arbeitsfluids im wesentlichen diejenige Richtung entlang der Turbinenschaufel, in der das Arbeitsfluid diese umströmt.
Bei dem genannten Typ handelt es sich um eine Turbinenschaufel im hinteren Bereich einer Turbine. Dort ist das Arbeitsfluid bereits so weit entspannt und abgekühlt, daß lediglich gering gekühlte Turbinenschaufeln zur Anwendung kommen. Dies bedeutet, daß lediglich ein geringerer Durchfluß von Kühlfluid durch die Turbine vorgesehen ist. Aufgrund des geringen Durchflusses funktioniert eine Mäanderstruktur von Strömungskanälen für das Kühlfluid bei gering gekühlten Turbinenschaufeln nicht zufriedenstellend. Aufgrund der langsamen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids würde dieses im Anfangsbereich eines mäandrierenden Strömungskanals zu stark kühlen und im Endbereich zu stark aufgeheizt sein und dort folglich in zu geringem Maße kühlen. Bei den genannten Turbinenschaufeln kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids hinsichtlich der auftretenden Zentrifugalkräfte der Turbinendrehung zu gering sein.
Daher ist die Turbinenschaufel lediglich einfach längs ihrer Radialerstreckung von dem Kühlfluid durchströmt. Bei einfacher Durchströmung - das heißt bei Strömungskanälen praktisch ohne Umkehrstellen bezüglich der Radialrichtung der Kühlfluidströmung - treten die oben genannten Probleme nicht auf. Dazu sind Turbinenschaufeln mit Radialbohrungen oder mit geraden Radialkanälen bekannt, die von einem radial inneren Schaufelfuß zu weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen - in die Anstreifkante eingebrachten Ausströmöffnungen-verlaufen. Die resultierende Kühlfluidströmung weist dann die erwünschten, lokalen - an jedem Ort des Strömungskanals-praktisch überwiegend bis ausschließlich nach radial außen gerichteten Radialströmungskomponenten auf.
Aufgrund der technisch bedingten Mindestmaße sowohl des Gußkerns als auch der Wandstärke ist die Durchströmung und damit auch der Kühleffekt bei solchen Turbinenschaufeln stark inhomogen. So kann der Bereich einer Hinterkante, die sich in Abströmrichtung verschmälern soll, aufgrund der genannten, durch den Herstellungsprozeß bedingten Mindestmaße in der Regel nicht mehr von einem radialen Strömungskanal durchsetzt sein. Es kommt zu einer Überhitzung der überhängenden Hinterkante. Des weiteren ergeben sich Einschränkungen - insbesondere durch die oben genannten Mindestmaße - in der Geometrie der meist großen Turbinenschaufeln im hinteren Bereich der Turbine.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel anzugeben, die trotz eines geringen Kühlfluidstroms an die technischen Erfordernisse für gering gekühlte Turbinenschaufeln hinsichtlich ihrer Geometrie angepaßt ist und die trotzdem eine weitgehend homogene Kühlung, insbesondere in den Randzonen, erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß sie eine homogene Kühlung der Turbinenschaufel, insbesondere im Bereich der Kanten, erlaubt. Besonders problematisch ist hier der Bereich des Hinterkantenkanals, in dem die strömungstechnischen Anforderungen z.B. eine Verschmälerung der Turbinenschaufel verlangen.
Der genannte Vorteil wird dadurch erreicht, daß eine oder mehrere Hinterkantenkanäle vorhanden sind, deren Kühlfluidströmung an vorbestimmten Stellen lokale Querströmungskomponenten aufweisen und bei denen Ausströmöffnungen in eine Hinterkante der Turbinenschaufel eingebracht sind. Durch die Verwendung der Hinterkante als Bereich der Ausströmung von Kühlfluid wird für gering gekühlte Turbinenschaufeln eine große Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet, die bislang nicht zugänglich waren.
So können die Hinterkantenkanäle - zumindest teilweise - ihr Kühlfluid über die Ausströmöffnungen, die in die Hinterkante eingebracht sind, ableiten. Dadurch wird auch für die - in Abströmrichtung gesehen - vor den Hinterkantenkanälen gelegenen Kanäle mehr Freiraum geschaffen. Ausströmöffnungen - insbesondere an der Anstreifkante -, die vorher durch die Hinterkantenkanäle beaufschlagt waren, können nunmehr zum Ausleiten von Kühlfluid aus vor den Hinterkantenkanälen gelegenen Strömungskanälen dienen.
Es wird ein dreifacher Nutzeffekt erreicht: Damit wird es nämlich erstmals möglich, die Hinterkante einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel effektiv und homogen zu kühlen und zugleich eine dünne Hinterkante (im Sinne einer verbesserten Aerodynamik) zu haben. Des weiteren wird für die Hinterkantenkanäle eine natürliche Abströmung des Kühlfluids erreicht, die es erlaubt, auch die vor den Hinterkantenkanälen gelegenen, vorderen Strömungskanäle in ihrer Geometrie und insbesondere in ihrem Abströmverhalten an die technischen Erfordernisse anzupassen.
Dies bedeutet, daß beispielsweise vordere Strömungskanäle mehr Ausströmlänge entlang der Anstreifkante beaufschlagen können, als dies bislang der Fall war. Da die Hinterkantenkanäle einerseits weiter in Abströmrichtung zur Hinterkante verlagert sind und andererseits durch ihre gebogene Form ausweichen, können die davor gelegenen, vorderen Strömungskanäle den entstandenen Freiraum ausfüllen. Die vorderen Strömungskanäle können aufgrund der lokalen Querströmungskomponenten der Hinterkantenkanäle ebenfalls derart gebogen sein, daß auch sie lokale Querströmungskomponenten aufweisen. Dadurch ist eine andere Raumausnutzung innerhalb des Kühlvolumens der Turbinenschaufel gegeben mit besserer Ausnutzung der Kühlluft.
Damit können erstmalig auch Turbinenschaufeln im hinteren Bereich der Turbine - also gering gekühlte Turbinenschaufeln-mit geringsten bis verschwindenden Einschränkungen hinsichtlich der Geometrie ausgeführt sein. Es ist beispielsweise eine hinlänglich bekannte Anforderung (aus Festigkeitsgründen und Abgußgründen), daß sich die Turbinenschaufel vom Schaufelfuß weg in radialer Richtung verschmälert. Da die Ausströmöffnungen der Hinterkante verwendet werden, können sich die übrigen, insbesondere vorderen und mittleren Strömungskanäle in dieser Richtung bezüglich ihrer Ausdehnung parallel zur Abströmrichtung erweitern und somit die Dickenabnahme in Radialrichtung durch Verbreiterung parallel zur Abströmrichtung und Nutzung mehrerer Ausströmöffnungen der Anstreifkante durch einen Strömungskanal kompensieren. Dadurch kann bei bestmöglichem Wirkungsgrad der Turbine ein praktisch gleichbleibender Innenquerschnitt der Strömungskanäle erreicht werden verbunden mit einem schlanken Profil. Dies ist nur mit der Erfindung möglich, da der zusätzliche Raum lediglich durch die nunmehr freigewordenen Ausströmöffnungen an der Anstreifkante und den gebogenen Verlauf der Strömungskanäle ermöglicht wird. Zudem ist eine geschwungene Profilform zur Optimierung der Aerodynamik (Randzoneneffekte) möglich - im Gegensatz zur gebohrten Schaufel - mit Kühlmöglichkeit der Hinterkante, im Gegensatz zu bisherigen Geometrien.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Strömungskanäle können derart geformt sein, daß Querströmungskomponenten in Abströmrichtung und entgegengesetzt vorhanden sind. Bevorzugt sind aber ausschließlich oder überwiegend Querströmungskomponenten in Abströmrichtung vorgesehen. Die Querströmungskomponenten bewirken eine Durchströmung der Hinterkante, die bislang nicht vorhanden war. Durch die Nutzung der genannten Querströmungskomponenten wird das Kühlfluid des weiteren automatisch zu den Ausströmöffnungen in der Hinterkante geführt.
Bevorzugt ist, daß ein Hinterkantenkanal und/oder ein vorderer Strömungskanal zumindest abschnittsweise, insbesondere mit ihren/seinen äußeren Radialabschnitten, von der Radialrichtung in Abströmrichtung abbiegen/abbiegt.
Um Totzonen zu vermeiden und den Strömungswiderstand insgesamt zu verringern, so daß das gesamte, zur Verfügung stehende Kühlvolumen effektiv ausgenutzt wird, ist vorgesehen, daß die Abbiegeabschnitte ausgerundet sind. Die Abbiegeabschnitte verlaufen dann ohne Kanten mit Krümmung.
Es können mehrere Hinterkantenkanäle vorhanden sein. Insbesondere ist der in Abströmrichtung gesehen letzte Hinterkantenkanal praktisch ausschließlich mit in die Hinterkante eingebrachten Ausströmöffnungen versehen. Unter Zugrundelegung der erfinderischen Idee, Querströmungskomponenten zu verwenden und Ausströmöffnungen in der Hinterkante vorzusehen, ist dies die effektivste Lösung und möglichst wenige - vorzugsweise gar keine - anderen Ausströmöffnungen als die der Hinterkante beaufschlagt und somit belegt.
Daher kann der letzte Hinterkantenkanal auch in einem Radialabstand radial innen vor der Anstreifkante enden. Erfindungsgemäß braucht dieser Kanal nämlich überhaupt keine Ausströmöffnungen in der Anstreifkante. Damit wird erst eine besonders effektive Formgebung der Turbinenschaufel - insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades der Turbine - ermöglicht.
Zusätzlich kann ein radial durchgehender Hinterkantenkanal vorhanden sein, der sowohl in die Anstreifkante eingebrachte Ausströmöffnungen als auch in die Hinterkante eingebrachte Ausströmöffnungen aufweist. Ein solcher, radial durchgehender Hinterkantenkanal bildet quasi den Übergang zwischen einem vorderen Strömungskanal und einem Hinterkantenkanal, der lediglich Ausströmöffnungen aufweist, die in die Hinterkante eingebracht sind. Durch einen solchen, radial durchgehende Hinterkantenkanal wird ein weicher Übergang erreicht. Dadurch kann das zur Verfügung stehende Kühlvolumen effektiv genutzt werden.
Dann kann beispielsweise der letzte Hinterkantenkanal radial weiter innen liegende, in die Hinterkante eingebrachte Ausströmöffnungen und der radial durchgehende Hinterkantenkanal radial weiter außen liegende, in die Hinterkante eingebrachte Ausströmöffnungen aufweisen. Zwischen dem letzten Hinterkantenkanal und dem radial durchgehenden Hinterkantenkanal kann eine Öffnung, das ist ein Durchbruch im Innenbereich zwischen den beiden Strömungskanälen, vorgesehen sein. Die Wandung zwischen den einzelnen Strömungskanälen, die alle Strömungskanäle trennt, ist dann an der Stelle der Öffnung unterbrochen. Die durchgehende Verbindung dient dazu, Gießbarkeit im Sinne der Kernlage zu ermöglichen.
Wie bereits oben ausgeführt, wird durch die Erfindung erreicht, daß der lokale, resultierende, effektive Innenquerschnitt praktisch über die ganze Länge eines Strömungskanals bis auf bezüglich des Strömungswiderstandes des Strömungskanals praktisch vernachlässigbare Querschnittsabweichungen gleich groß ist. Die Querschnittsabweichungen betragen vorzugsweise weniger als zwanzig Prozent und insbesondere weniger als zehn Prozent des genannten Innenquerschnitts.
Die resultierende, effektive Gesamtquerschnittsfläche der Einströmöffnungen ist vorzugsweise gleich der Gesamtquerschnittsfläche der Ausströmöffnungen eines Strömungskanals, wobei die jeweilige Gesamtquerschnittsfläche dem Innenquerschnitt des zugehörigen Strömungskanals entspricht.
Eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel ist gering gekühlt, d.h. ohne Mäanderstruktur der Strömungskanäle ausgeführt. Sie wird für den hinteren Bereich einer Turbine und/oder für gering gekühlte Turbinen/Turbinenschaufeln verwendet.
Die Erfindung wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • Figur 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit Schaufelfuß, wobei die innen liegenden Strömungskanäle verdeckt dargestellt sind,
  • Figur 2 einen Längsschnitt durch die Turbinenschaufel gemäß Figur 1.
    • Die Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren jeweils gleiche, konstruktive Merkmale. Im folgenden wird die Erfindung unter gleichzeitiger Bezugnahme auf Figur 1 und Figur 2 beschrieben.
    Die Turbinenschaufel 1 ist von dem Arbeitsfluid 3 - welches in der Figur 1 lediglich exemplarisch ausschnittweise dargestellt ist - in der Abströmrichtung 2 umströmt, wodurch die Arbeitsleistung erzeugt beziehungsweise die Turbine angetrieben wird. Die Turbinenschaufel 1 wird von dem Kühlfluid 31-welches ebenfalls exemplarisch und ausschnittweise in der Figur 2 gezeigt ist - entlang der Strömungskanäle 4,5,6 durchströmt. Dadurch wird die Turbinenschaufel 1 gekühlt. Das Kühlfluid 31 kann beispielsweise (gekühlte) Luft sein.
    Eine solche Turbinenschaufel 1 hat einen Schaufelfuß 10, der in eine entsprechende Nut der Turbinenscheibe (hier nicht gezeigt) eingeschoben und dort befestigt ist. Dabei fluchten die gezeigten Einströmöffnungen 7,8,9 mit entsprechenden Öffnungen in der Turbinenscheibe. Durch diese wird das Kühlfluid 31 den Strömungskanälen 4,5,6 zugeführt.
    Die Strömungskanäle 4,5,6 verlaufen zwischen den Einströmöffnungen 7,8,9 an dem radial inneren Schaufelfuß 10 und demgegenüber weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen 11,12,13. Sie verlaufen ohne Umkehrstellen bezüglich der Radialrichtung 20, d.h. praktisch umkehrfrei. Das Kühlfluid 31 durchströmt also in jedem Strömungskanal 4,5,6 die Radialerstreckung der Turbinenschaufel 1 lediglich einfach. An jeder Stelle eines Strömungskanals weist die resultierende Kühlfluidströmung 14 lokal praktisch ausschließlich nach radial außen - und nicht etwa nach radial innen - gerichtete Radialströmungskomponenten 15 auf (siehe Figur 2). Alle Radialströmungskomponenten 15 zeigen somit von dem Zentrum der Turbinendrehung weg. Eine Turbinenschaufel 1 ist auch dann gering gekühlt und somit für die Realisierung der Erfindung geeignet, wenn deren Strömungskanäle praktisch überwiegend nach radial außen gerichtete Radialströmungskomponenten 15 aufweisen.
    Die durch die Innenwände 30 getrennten Strömungskanäle 4,5,6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel derart gekrümmt, daß die resultierende Kühlfluidströmung 14 zusätzlich zu den genannten Radialströmungskomponenten 15 lokale Querströmungskomponenten 17 aufweist.
    Zur Verdeutlichung ist in Figur 2 die resultierende Kühlfluidströmung 14 in den Strömungskanälen 4,5 schematisch in jeweils eine Radialströmungskomponente 15 und eine Querströmungskomponente 17 zerlegt. Die Radialströmungskomponenten 15 zeigen alle nach radial außen. Dadurch ist die Kühlfluidströmung 14 bezüglich der Radialrichtung 20 praktisch umkehrfrei.
    Dies gilt im Ausführungsbeispiel für alle Strömungskanäle 4,5,6.
    Es ist ein in Abströmrichtung gesehen letzter Hinterkantenkanal 6 vorhanden. Dieser (wie auch die Strömungskanäle 4,5) biegt mit ausgerundeten Abbiegeabschnitten 21 von der Radialrichtung 20 in Abströmrichtung 2 ab. Der Verlauf des Strömungskanals 6 ist dadurch in Richtung der Hinterkante 18 gekrümmt.
    Durch die Krümmung sind die Querströmungskomponenten 17 an jeder Stelle lokal in Abströmrichtung 2 gerichtet. Dadurch wird das Kühlfluid 31 des letzten Hinterkantenkanals 6 den Ausströmöffnungen 13 in der Hinterkante 18, die weiter radial innen liegen, zugeführt.
    In den Figuren sind jeweils zwei Hinterkantenkanäle 5,6 gezeigt. Beide Hinterkantenkanäle 5,6 münden in die Ausströmöffnungen 13,23 in der Hinterkante 18. Der radial durchgehende Hinterkantenkanal 5 mündet in die weiter radial außen liegenden, in die Hinterkante 18 eingebrachten Ausströmöffnungen 23 und gleichzeitig in eine in die Anstreifkante 16 eingebrachte Ausströmöffnung 12. Damit die weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen 23 durch das Kühlfluid 31 in dem radial durchgehenden Hinterkantenkanal 5 beaufschlagt werden können, endet der in Abströmrichtung 2 gesehen letzte Hinterkantenkanal 6 in einem Radialabstand 22 radial innen vor der Anstreifkante 16. Dadurch bleiben die Ausströmöffnungen 23 durch den letzten Hinterkantenkanal 6 unbeaufschlagt.
    Die Hinterkantenkanäle 5,6 kommunizieren über eine Öffnung 24, die in der Mitte (bezüglich der Radialrichtung 20) des radial durchgehenden Hinterkantenkanals 5 und am radial äußeren Ende des letzten Hinterkantenkanals 6 angeordnet ist.
    Der in Abströmrichtung 2 gesehen vordere Strömungskanal 4 erweitert sich in Radialrichtung 20 nach außen hinsichtlich seiner Erstreckung in Abströmrichtung 2 (d.i. die Breite). Auch der vordere Strömungskanal 4 verläuft derart gekrümmt, daß lokale, resultierende Querströmungskomponenten 17 vorhanden sind. Die Innenwände 30, die die Strömungskanäle 4,5,6 voneinander trennen, sind über die gesamte Radialerstreckung der Turbinenschaufel 1 von praktisch gleicher Stärke. Der vordere Strömungskanal 4 folgt daher in seinem Verlauf den Hinterkantenkanälen 5,6 und schmiegt sich an diese an, so daß der Innenraum der Turbinenschaufel 1 praktisch vollständig von den Strömungskanälen 4,5,6 durchsetzt ist.
    Neu ist bei der Erfindung auch, daß die Hinterkantenkanäle 5,6 den Bereich der Hinterkante 18 der Turbinenschaufel 1 praktisch bis auf eine verbleibende, äußere Wandstärke durchsetzen. Diese Wandstärke - wie auch die Größe des Gußkerns einer gegossenen Turbinenschaufel, d.h. die Größe der Hohlräume - sind nach unten durch die technischen Parameter des Herstellungsprozesses begrenzt. Durch die Durchsetzung auch der Hinterkante 18 ergibt sich insgesamt eine die Hinterkante 18 einschließende, homogene Kühlung der Turbinenschaufel 1.
    Besonders in der perspektivischen Darstellung der Figur 1 ist zu erkennen, daß sich die Turbinenschaufel 1 in Radialrichtung 20 nach außen und gleichzeitig in Abströmrichtung 2 gesehen verschmälert. Dabei sollte der Innenquerschnitt 25 der Strömungskanäle 4,5,6 aber in etwa gleich bleiben, und zwar praktisch über die gesamte Länge 26 eines Strömungskanals 4,5,6. Dies wird durch die Erfindung erstmals für Turbinenschaufeln 1 des hinteren Bereichs erreicht. Dadurch ist der lokale, resultierende, effektive Innenquerschnitt 25 praktisch über die ganze Länge 26 eines Strömungskanals 4,5,6 bis auf bezüglich des Strömungswiderstandes des Strömungskanals 4,5,6 vernachlässigbare Querschnittsabweichungen gleich groß. Dies ist in Figur 1 am Beispiel des Strömungskanals 4 gezeigt.
    Die Flächenstücke 25 sind dabei einfach schraffiert. Sie sollen jeweils eine innerhalb eines Strömungskanals gleich große Fläche markieren. Zur Verdeutlichung der Verhältnisse sind die Flächen nicht maßstabgetreu wiedergegeben. Das Flächenstück 25 wird um die Querschnittsabweichungen 27 in Radialrichtung 20 größer. Die Querschnittsabweichung 27 beträgt vorzugsweise weniger als zwanzig Prozent, insbesondere weniger als zehn Prozent des Innenquerschnitts 25. Auch im radial äußeren Bereich des vorderen Strömungskanals 4, wo sich die Turbinenschaufel 1 verschmälert, soll dieser Innenquerschnitt 25 (nicht explizit gezeigt) gleich bleiben. Zur Erreichung dieses Zweckes verbreitert sich der vordere Strömungskanal 4 in Radialrichtung 20 nach außen hin.
    Es sind korrespondierende Flächenstücke 25 der Hinterkantenkanäle 5,6 gezeigt. Daran ist zu sehen, daß sich die Turbinenschaufel 1 in Abströmrichtung 2 verschmälert. Über einen Strömungskanal 4,5,6 gesehen soll aber in Radialrichtung 20, d.h. im wesentlichen in Verlaufsrichtung des jeweiligen Strömungskanals 4,5,6 der Innenquerschnitt 25 praktisch gleichbleiben. Dies gilt für den gesamten Weg des Strömungsfluids 31 innerhalb der Turbinenschaufel 1 vom Schaufelfuß 10 bis zu den Ausströmöffnungen 11,12,13,23.
    So ist die resultierende, effektive Gesamtquerschnittsfläche 28 der Einströmöffnungen 7,8,9 gleich der Gesamtquerschnittsfläche 29 der Ausströmöffnungen 11,12,13 eines Strömungskanals 4,5,6. Diese Gesamtquerschnittsfläche 28,29 entspricht dabei in etwa bis auf die oben genannten Abweichungen dem Innenquerschnitt 25 des zugehörigen Strömungskanals 4,5,6.

    Claims (14)

    1. Kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel (1), mit mehreren, in Abströmrichtung (2) des Arbeitsfluids (3) benachbart angeordneten Strömungskanälen (4,5,6), die zwischen Einströmöffnungen (7,8,9) an einem radial inneren Schaufelfuß (10) und demgegenüber weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen (11,12,13) verlaufen, mit einer bezüglich der Radialrichtung (20) praktisch umkehrfreien Kühlfluidströmung (14), und mit einem in Abströmrichtung (2) gesehen vorderen Strömungskanal (4), dessen Ausströmöffnungen (11) in eine Anstreifkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Hinterkantenkanal (5,6) vorhanden ist, dessen Kühlfluidströmung (14) an vorbestimmten Stellen lokale Querströmungskomponenten (17) aufweist und bei dem Ausströmöffnungen (12,13) in eine Hinterkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind.
    2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß Querströmungskomponenten (17) in Abströmrichtung (2) vorhanden sind.
    3. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß ein Hinterkantenkanal (5,6) und/oder ein vorderer Strömungskanal (4) zumindest abschnittsweise, insbesondere mit ihren/seinen äußeren Radialabschnitten (19), von der Radialrichtung (20) in Abströmrichtung (2) abbiegen/abbiegt.
    4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß aus-gerundete Abbiegeabschnitte (21) vorhanden sind.
    5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hinterkantenkanäle (5,6) vorhanden sind.
    6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet, daß der in Abströmrichtung (2) gesehen letzte Hinterkantenkanal (6) ausschließlich in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (13) aufweist.
    7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Hinterkantenkanal (6) in einem Radialabstand (22) radial innen vor der Anstreifkante (16) endet.
    8. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet, daß ein radial durchgehender Hinterkantenkanal (5) vorhanden ist, der sowohl in die Anstreifkante (16) eingebrachte Ausströmöffnungen (12) als auch in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (23) aufweist.
    9. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 6, 7 und 8,
      dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Hinterkantenkanal (6) radial innen liegende, in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (13) und daß der radial durchgehende Hinterkantenkanal (5) radial weiter außen liegende, in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (23) aufweist.
    10. Turbinenschaufel nach Anspruch 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Hinterkantenkanal (6) über eine Öffnung (24) mit dem radial durchgehenden Hinterkantenkanal (5) kommuniziert.
    11. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet, daß der lokale, resultierende, effektive Innenquerschnitt (25) praktisch über die ganze Länge (26) eines Strömungskanals (4,5,6) bis auf bezüglich des Strömungswiderstandes des Strömungskanals (4,5 6) vernachlässigbare Querschnittsabweichungen (27) gleich groß ist.
    12. Turbinenschaufel nach Anspruch 11,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabweichungen (27) weniger als 20 Prozent, insbesondere weniger als 10 Prozent des Innenquerschnitts (25) betragen.
    13. Turbinenschaufel nach Anspruch 11 und 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende, effektive Gesamtquerschnittsfläche (28) der Einströmöffnungen (7,8,9) gleich der Gesamtquerschnittsfläche (29) der Ausströmöffnungen (11,12,13,23) eines Strömungskanals (4,5,6) ist, und daß die jeweilige Gesamtquerschnittsfläche (28,29) dem Innenquerschnitt (25) entspricht.
    14. Verwendung einer Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für den hinteren Bereich einer Turbine und/oder für eine gering gekühlte Turbine.
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