EP1921268A1 - Turbinenschaufel - Google Patents

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Publication number
EP1921268A1
EP1921268A1 EP06023274A EP06023274A EP1921268A1 EP 1921268 A1 EP1921268 A1 EP 1921268A1 EP 06023274 A EP06023274 A EP 06023274A EP 06023274 A EP06023274 A EP 06023274A EP 1921268 A1 EP1921268 A1 EP 1921268A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
turbine blade
elements
channel
flow inlet
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Withdrawn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
EP06023274A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz-Jürgen Dr. Gross
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 EP06023274A priority Critical patent/EP1921268A1/de
Priority to AT07820379T priority patent/ATE459785T1/de
Priority to DE502007003044T priority patent/DE502007003044D1/de
Priority to US12/513,742 priority patent/US8297926B2/en
Priority to JP2009535648A priority patent/JP2010509532A/ja
Priority to EP07820379A priority patent/EP2087206B1/de
Priority to PCT/EP2007/059935 priority patent/WO2008055737A1/de
Priority to CN200780041599.1A priority patent/CN101535602B/zh
Publication of EP1921268A1 publication Critical patent/EP1921268A1/de
Priority to JP2012046594A priority patent/JP5269223B2/ja
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/121—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the leading edge of a stator vane
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
    • 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
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • 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.
  • Turbine blades in particular turbine blades for gas turbines are exposed to high temperatures during operation, which quickly exceed the limit of the material stress. This applies in particular to the areas in the vicinity of the flow inlet edge.
  • it has long been known to cool turbine blades suitable, so that they have a higher temperature resistance. With turbine blades, which have a higher temperature resistance, higher energy efficiencies can be achieved in particular.
  • Cooling cooling is probably the most common type of blade cooling.
  • This type of cooling cooling air is passed through channels in the interior of the blade and uses the convective effect to dissipate the heat.
  • impingement cooling a cooling air flow impinges on the blade surface from the inside. In this way, a very good cooling effect is made possible at the point of impact, but this is limited only to the narrow area of the point of impact and the closer environment.
  • This type of cooling is therefore usually used for cooling the flow inlet edge of a turbine blade, which is exposed to high temperature loads.
  • film cooling cooling air is directed out through openings in the turbine blade from the interior of the turbine blade. This cooling air flows around the turbine blade and forms an insulating layer between the hot process gas and the blade surface.
  • the types of cooling described are suitably combined depending on the application in order to achieve the most effective blade cooling possible.
  • coolants such as turbulators, which are usually provided in the form of ribs
  • turbulators which are usually provided in the form of ribs
  • These are arranged within the cooling channels provided for the convection flow, which run in the interior of the turbine blade.
  • the incorporation of fins in the cooling channels causes the flow of cooling air in the boundary layers to be detached and entangled. Due to the forced disruption of the flow, the heat transfer can be increased in the presence of a temperature difference between the cooling channel wall and the cooling air.
  • the ribbing constantly causes the flow to form new "recovery areas" in which a substantial increase in the local heat transfer coefficient can be achieved.
  • cooling channels are often formed in turbine blades parallel to and close to the flow inlet edge, to which cooling air is supplied by further cooling channels formed in the blades.
  • the convective cooling of the flow inlet edge realized in this way is usually supplemented by impingement cooling of the inner wall of the cooling channel extending near the flow inlet edge in the case of film-sensed blades.
  • convective cooling is intensified by turbulators disposed on the inner wall of the cooling duct.
  • the invention has for its object to provide a turbine blade, which can be cooled more effectively compared to known solutions both existing and in the absence of film cooling and has a longer service life.
  • This object is achieved according to the invention with a turbine blade with at least one cooling element and a cooling channel for passing a cooling medium, in the flow of which is arranged at least one cooling element, in which the at least one cooling element is formed in a cone shape.
  • the cooling elements flowed by the cooling medium are designed in the form of pegs.
  • Pintle-shaped cooling elements cause a very strong turbulence of the cooling medium, for example in the form of cooling air, which are increased by the thus forced strong disturbance of the flow at a temperature difference between a wall of the cooling channel and the cooling medium of the heat transfer, along with a significant increase of the local heat transfer coefficients.
  • the invention provided peg-shaped design of the cooling elements which are formed during operation of the turbine blade in the cooling elements thermal stresses are kept to a minimum, so that there can be no internal cracks, in particular, the thermal stresses are significantly less than the thermal stresses that form in known cooling fins. According to the invention, therefore, the entire voltage situation is improved and it can be a significant increase in the life of the cooling elements over known solutions can be achieved, with the high life of the cooling elements and a long service life and service life of the turbine blade is connected.
  • the turbine blade according to the invention can be exposed to known gas higher temperatures compared to known solutions, even if no film cooling is provided. If film cooling is provided, even higher gas temperatures are possible. This in turn gives rise to the possibility of being able to form the turbine blade according to the invention with thinner outer walls.
  • the turbine blade has a flow inlet edge extending on one side of the turbine blade, wherein the cooling channel is delimited by a wall section relative to the flow inlet edge and the at least one cooling element extends from this wall section into the cooling channel.
  • the flow inlet edge which as a rule is subject to high thermal stress, can be cooled very effectively.
  • the peg-shaped cooling elements according to the invention which extend from the wall portion into the cooling channel, and in particular cause a strong turbulence of the cooling medium, in a present temperature difference between the wall portion and the cooling medium of the heat transfer can be significantly increased, along with a substantial increase of local heat transfer coefficients. Overall, in this way, the heat in the vicinity of the flow inlet edge can be dissipated very effectively, along with a very effective cooling of the flow inlet edge.
  • the cooling channel is preferably limited by a wall portion facing the cooling channel having a curved wall surface, wherein two or more cooling elements are provided, wherein the cooling elements have a longitudinal extent extending into the cooling channel, and wherein the two or more cooling elements are directed with their longitudinal extent to the center of the curvature of the wall surface.
  • cooling elements which are directed with their longitudinal extent to the center of the curvature of the wall surface, a very effective turbulence of the cooling elements flowing against the cooling medium can be achieved.
  • the convection cooling realized by means of the cooling elements can be very effectively combined with impingement cooling, such that the cooling medium flows in a manner onto the cooling elements in such a way that it impinges on the cooling elements, so that a very high cooling effect is achieved in the respective impingement point can be, which causes in conjunction with the provided convection cooling a very effective cooling of the turbine blade according to the invention.
  • the wall section has a wall surface facing the cooling channel, and the at least one cooling element or the two or more cooling elements extend orthogonally to the wall surface or orthogonally to the curved wall surface into the cooling channel.
  • the inventively provided extent in a direction orthogonal to the wall surface of the cooling channel causes a very effective turbulence of the cooling medium, which is accompanied by a very effective cooling, in particular the flow inlet edge, since according to the invention a directed substantially perpendicular to the longitudinal extent of the cooling elements directed flow of the cooling elements with the cooling medium can.
  • the at least one cooling element or the two or more cooling elements are integrally formed with the wall portion.
  • the cooling elements have different lengths, wherein the length of the individual cooling elements is preferably adapted to a predetermined local cooling requirement.
  • Turbine blades generally have a very inhomogeneous temperature distribution during operation, which is associated with large thermal loads acting on the turbine blades, which in particular have a detrimental effect on the service life of the turbine blade.
  • an inhomogeneous temperature distribution forming along the radial direction results for the flow inlet edge.
  • the temperature distribution for example at the flow inlet edge, can be "made uniform", since according to the invention in comparatively hot places by appropriately trained cooling elements, a correspondingly strong cooling and vice versa.
  • the turbine blade according to the invention can thus be cooled in a manner which counteracts an inhomogeneous temperature distribution, which is advantageous in particular with regard to effective cooling of the flow inlet edge.
  • the cooling capacity of each individual peg-shaped cooling element is adapted over a suitably designed length to the predetermined local cooling requirement in the vicinity of the cooling element.
  • Cooling elements in the environment of which a high cooling requirement exists, have according to the invention greater length than cooling elements in the vicinity of the cooling demand, for example, for the flow inlet edge, is less pronounced.
  • the "swirl area" and the surface to be cooled are increased, along with a significant increase in the local heat transfer coefficient.
  • the invention further relates to a turbine blade, with a flow inlet edge, a cooling channel formed in the turbine blade for carrying cooling air, which extends at least partially along the flow inlet edge, and a number of cooling elements, which are arranged in the longitudinal direction of the cooling channel in this successively fixed, wherein each individual cooling element has a cooling capacity which is adapted to a predetermined cooling requirement for the flow inlet edge in the vicinity of the cooling element, and wherein the cooling channel preferably extends continuously through the turbine blade parallel to the flow inlet edge.
  • FIG. 1 shows a sketch-like sectional view of a front section of a turbine blade 10 according to the invention, with a flat sectional surface at right angles to the flow inlet edge 12.
  • a flow is parallel to the flow inlet edge 12 to the flow inlet edge 12 extending cooling channel 14 is formed (ie, a radially extending channel 14 in axially flowed turbines), which is bounded by a wall portion 24 relative to the flow inlet edge 12.
  • peg-shaped cooling elements 18 extend into the cooling channel 14, wherein the cooling elements 18 are directed with their longitudinal extent to the center of the curvature of the wall surface 16.
  • openings 22 are formed to supply cooling air to the cooling passage 14 of other cooling passages (not shown) formed in the rear of the turbine bucket 10.
  • FIG. 2 shows a further sectional illustration of the front section of the turbine blade 10 according to the invention, with a flat sectional surface parallel to the flow inlet edge 12.
  • the cooling elements 18 formed on the curved wall surface 16 of the cooling channel 14 extend orthogonally from the curved wall surface 16 into the cooling channel 14
  • FIG. 2 shows that the length of the cooling elements 18 varies in the radial direction R. According to the invention, this counteracts the inhomogeneous temperature distribution which forms along the flow inlet edge 12 when the turbine blade 10 is used.
  • the cooling elements 18 have a greater length in the middle region than in the edge regions, since, as explained above, by increasing the length of the cooling elements 18, the local heat transfer coefficient and thus the cooling capacity of the cooling elements 18 can be increased.
  • the impingement cooling comprises the impact of cooling air emerging from the openings 22 on the arched wall surface 16 or the cooling elements 18 in order to locally enable a very good cooling effect there.
  • the cooling elements 18 are directed with their longitudinal extent to the center of the curvature of the wall surface 16, a very effective impingement cooling can be provided, with which a very effective cooling of the turbine blade 10 can be provided in conjunction with the corresponding convection cooling ,
  • the cooling passage 14 is opened on both sides of the turbine blade 10 to flow the cooling air in two directions out of the cooling passage 14.
  • a temperature harmonization of the turbine blade 10 is favored, since where cooling air is needed, cooling air is also provided, and the effect of the impingement cooling is not reduced by a cross-flow.
  • the cooling elements 18 may also be formed rib-shaped, which extend along the cooling channel 14, ie in the flow direction of the cooling air.
  • the surface of the wall surface 16 is significantly increased in order to improve the cooling of the then preferably convectively cooled turbine blade 10. It is conceivable that the height of the ribs due to the aforementioned locally different temperatures at the flow inlet edge 12 can be adapted to match.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10), mit mindestens einem Kühlelement (18) und einem Kühlkanal (14) zum Hindurchleiten eines Kühlmediums, in dessen Strömung das mindestens eine Kühlelement (18) angeordnet ist, bei der das mindestens eine Kühlelement (18) zapfenförmig ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Turbinenschaufel mit einer Strömungseintrittskante (12), einem in der Turbinenschaufel (10) ausgebildeten Kühlkanal (14) zur Durchführung von Kühlluft, der sich wenigstens abschnittsweise längs der Strömungseintrittkante (12) erstreckt, und einer Anzahl von Kühlelementen (18), die in Längsrichtung des Kühlkanals (14) in diesem aufeinanderfolgend ortsfest angeordnet sind, wobei jedes einzelne Kühlelement (18) ein Kühlvermögen aufweist, welches einem vorgegebenen Kühlbedarf für die Strömungseintrittskante (12) in der Umgebung des Kühlelements (18) angepasst ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel. Turbinenschaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln für Gasturbinen werden während des Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzt, welche schnell die Grenze der Materialbeanspruchung überschreiten. Dies gilt insbesondere für die Bereiche in Umgebung der Strömungseintrittskante. Um Turbinenschaufeln auch bei hohen Temperaturen einsetzen zu können, ist es schon seit langem bekannt, Turbinenschaufeln geeignet zu kühlen, so dass sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Mit Turbinenschaufeln, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, lassen sich insbesondere höhere energetische Wirkungsgrade erzielen.
  • Bekannte Kühlarten sind unter anderem die Konvektionskühlung, die Prallkühlung und die Filmkühlung. Bei der Konvektionskühlung handelt es sich wohl um die am weitesten verbreitete Art der Schaufelkühlung. Bei dieser Kühlungsart führt man Kühlluft durch Kanäle im Schaufelinneren und nutzt den konvektiven Effekt, um die Wärme abzuführen. Bei der Prallkühlung prallt ein Kühlluftstrom von innen auf die Schaufeloberfläche. Auf diese Weise wird im Auftreffpunkt eine sehr gute Kühlwirkung ermöglicht, die allerdings nur auf den engen Bereich des Auftreffpunkts und die nähere Umgebung beschränkt ist. Diese Art der Kühlung wird deshalb meist zur Kühlung der Strömungseintrittskante einer Turbinenschaufel verwendet, die hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt ist. Bei der Filmkühlung wird Kühlluft über Öffnungen in der Turbinenschaufel vom Inneren der Turbinenschaufel nach außen geführt. Diese Kühlluft umströmt die Turbinenschaufel und bildet eine isolierende Schicht zwischen dem heißen Prozessgas und der Schaufeloberfläche aus. Die beschriebenen Kühlarten werden je nach Anwendungsfall geeignet kombiniert, um eine möglichst wirksame Schaufelkühlung zu erzielen.
  • Ergänzend zu den oben beschriebenen Kühlarten ist die Verwendung von Kühlmitteln, wie Turbulatoren, die meist in Form von Rippen bereitgestellt sind, sehr verbreitet. Diese sind innerhalb der für die Konvektionsströmung vorgesehenen Kühlkanäle angeordnet, die im Inneren der Turbinenschaufel verlaufen. Der Einbau von Rippen in den Kühlkanälen bewirkt, dass die Strömung der Kühlluft in den Grenzschichten abgelöst und verwirbelt wird. Durch die so erzwungene Störung der Strömung kann bei einem vorliegenden Temperaturunterschied zwischen Kühlkanalwand und Kühlluft der Wärmeübergang gesteigert werden. Durch die Berippung wird die Strömung ständig dazu veranlasst neue "Wiederanlegegebiete" zu bilden, in denen eine wesentliche Steigerung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten erzielt werden kann. Die Lebensdauer bekannter Rippen ist infolge der hohen Betriebstemperaturen eingeschränkt, was insbesondere eine Folge der bekannten Rippen zugrundeliegenden Geometrie ist. Die mit den bekannten Rippen-Geometrien verbundenen thermischen Spannungen haben Innenanrisse zur Folge, welche die Lebensdauer der Rippe und damit letztlich auch die Einsatzdauer der Turbinenschaufel einschränken können.
  • Zur Kühlung der während des Betriebs thermisch meist sehr stark beanspruchten Strömungseintrittskante bzw. Vorderkante von Turbinenschaufeln sind in Turbinenschaufeln oft parallel und nahe zur Strömungseintrittskante verlaufende Kühlkanäle ausgebildet, denen durch weitere in den Schaufeln ausgebildete Kühlkanäle Kühlluft zugeführt wird. Die so realisierte konvektive Kühlung der Strömungseintrittskante wird bei filmgefühlten Schaufeln meist durch eine Prallkühlung der Innenwand des nahe der Strömungseintrittskante verlaufenden Kühlkanals ergänzt. In Anwendungen, bei denen keine Filmkühlung der Turbinenschaufeln vorgenommen wird, wird die konvektive Kühlung durch an der Innenwand des Kühlkanals angeordnete Turbulatoren intensiviert.
  • Insgesamt betrachtet besteht gegenwärtig sowohl bei filmgekühlten als auch bei nicht filmgekühlten Schaufeln hinsichtlich der Kühlung, insbesondere in bezug auf die Kühlung der Strömungseintrittskante, noch deutlicher Verbesserungsbedarf. Insbesondere berücksichtigen die gegenwärtigen Kühl-Lösungen auch keine sich während des Einsatzes von Turbinenschaufeln ausbildende inhomogene Temperaturverteilung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel anzugeben, die sowohl bei vorhandener als auch bei nicht vorhandener Filmkühlung gegenüber bekannten Lösungen wirksamer gekühlt werden kann und die eine höhere Einsatzdauer aufweist.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Turbinenschaufel mit mindestens einem Kühlelement und einem Kühlkanal zum Hindurchleiten eines Kühlmediums, in dessen Strömung das mindestens eine Kühlelement angeordnet ist, gelöst, bei der das mindestens eine Kühlelement zapfenförmig ausgebildet ist.
  • Erfindungsgemäß sind die von dem Kühlmedium angeströmten Kühlelemente zapfenförmig ausgebildet. Zapfenförmig ausgebildete Kühlelemente bewirken eine sehr starke Verwirbelung der Kühlmediums, beispielsweise in Form von Kühlluft, wobei durch die so erzwungene starke Störung der Strömung bei einem vorliegenden Temperaturunterschied zwischen einer Wand des Kühlkanals und dem Kühlmedium der Wärmeübergang gesteigert werden, einhergehend mit einer wesentlichen Steigerung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten.
  • Ferner können mit der erfindungsgemäß vorgesehenen zapfenförmigen Ausbildung der Kühlelemente die sich während des Betriebs der Turbinenschaufel in den Kühlelementen ausbildenden thermischen Spannungen minimal gehalten werden, so dass es zu keinen Innenanrissen kommen kann, insbesondere sind hierbei die thermischen Spannungen deutlich geringer als die thermischen Spannungen, die sich in bekannten Kühlrippen ausbilden. Erfindungsgemäß wird also die gesamte Spannungssituation verbessert und es kann eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer der Kühlelemente gegenüber bekannten Lösungen erzielt werden, wobei mit der hohen Lebensdauer der Kühlelemente auch eine hohe Einatzdauer bzw. Lebensdauer der Turbinenschaufel verbunden ist.
  • Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann gegenüber bekannten Lösungen höheren Gastemperaturen ausgesetzt werden, selbst wenn keine Filmkühlung vorgesehen ist. Sofern Filmkühlung vorgesehen ist, sind noch höhere Gastemperaturen möglich. Hieraus wiederum ergibt sich die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit dünneren Außenwänden auszubilden zu können.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Turbinenschaufel eine sich an einer Seite der Turbinenschaufel erstreckende Strömungseintrittskante auf, wobei der Kühlkanal gegenüber der Strömungseintrittskante durch einen Wandabschnitt begrenzt ist und das mindestens eine Kühlelement von diesem Wandabschnitt ausgehend sich in den Kühlkanal hinein erstreckt.
  • Mittels dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung kann insbesondere die in der Regel thermisch stark beanspruchte Strömungseintrittskante sehr wirksam gekühlt werden. Mittels der erfindungsgemäßen zapfenförmigen Kühlelemente, die sich von dem Wandabschnitt in den Kühlkanal hinein erstrecken, und die insbesondere eine starke Verwirbelung des Kühlmediums bewirken, kann bei einem vorliegenden Temperaturunterschied zwischen dem Wandabschnitt und dem Kühlmedium der Wärmeübergang deutlich gesteigert werden, einhergehend mit einer wesentlichen Steigerung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten. Insgesamt betrachtet kann auf diese Weise die Wärme in Umgebung der Strömungseintrittskante sehr wirksam abgeführt werden, einhergehend mit einer sehr wirksamen Kühlung der Strömungseintrittskante.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kühlkanal bevorzugt durch einen Wandabschnitt begrenzt, der zum Kühlkanal gewandt eine gewölbte Wandfläche aufweist, wobei zwei oder mehr Kühlelemente vorgesehen sind, wobei die Kühlelemente eine in den Kühlkanal sich hinein erstreckende Längserstreckung aufweisen, und wobei die zwei oder mehr Kühlelemente mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche gerichtet sind.
  • Mittels Kühlelementen, die mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche gerichtet sind, kann eine sehr wirksame Verwirbelung des die Kühlelemente anströmenden Kühlmediums erzielt werden. Insbesondere kann mittels dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung die mittels der Kühlelemente realisierte Konvektionskühlung sehr wirksam mit einer Prallkühlung kombiniert werden, derart, dass das Kühlmedium auf eine Weise auf die Kühlelemente zuströmt, dass es auf die Kühlelemente aufprallt, so dass im jeweiligen Auftreffpunkt eine sehr hohe Kühlwirkung erzielt werden kann, die in Verbindung mit der bereitgestellten Konvektionskühlung eine sehr wirksame Kühlung der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel bewirkt.
    Bei einer praktischen Weiterbildung der Erfindung weist der Wandabschnitt eine zum Kühlkanal gewandte Wandfläche auf, und das mindestens eine Kühlelement bzw. die zwei oder mehr Kühlelemente erstrecken sich orthogonal zu der Wandfläche bzw. orthogonal zu der gewölbten Wandfläche in den Kühlkanal hinein. Die erfindungsgemäß vorgesehene Erstreckung in einer Richtung orthogonal zur Wandfläche des Kühlkanals bewirkt eine sehr wirksame Verwirbelung des Kühlmediums, die mit einer sehr wirksamen Kühlung, insbesondere der Strömungseintrittskante einhergeht, da erfindungsgemäß eine im wesentlichen rechtwinkelig zur Längserstreckung der Kühlelemente gerichtete Anströmung der Kühlelemente mit dem Kühlmedium erfolgen kann.
  • Bei einer weiteren praktischen Weiterbildung der Erfindung sind das mindestens eine Kühlelement bzw. die zwei oder mehr Kühlelemente einstückig mit dem Wandabschnitt ausgebildet.
  • Bei einer besonders praktischen Weiterbildung der Erfindung weisen die Kühlelemente unterschiedliche Längen auf, wobei die Länge der einzelnen Kühlelemente bevorzugt einem vorgegebenen örtlichen Kühlbedarf angepasst ist.
  • Turbinenschaufeln weisen im Betrieb in der Regel eine sehr inhomogene Temperaturverteilung auf, die mit großen, auf die Turbinenschaufeln einwirkenden thermischen Belastungen verbunden ist, die sich insbesondere nachteilig auf die Lebensdauer der Turbinenschaufel auswirken. So ergibt sich beispielsweise für Turbinenschaufeln, die in axial durchströmten Turbinen zum Einsatz kommen, für die Strömungseintrittskante ein sich entlang der radialen Richtung ausbildende inhomogene Temperaturverteilung. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Kühlelementen innerhalb des vorzugsweise nahe der Strömungseintrittskante verlaufenden Kühlkanals, deren Kühlvermögen über ihre Länge einem vorgegebenen Kühlbedarf, beispielsweise für die Strömungseintrittskante in der Umgebung des Kühlelements angepasst ist, kann die Temperaturverteilung, beispielsweise an der Strömungseintrittskante, "vergleichmässigt" werden, da erfindungsgemäß an vergleichsweise heißen Stellen durch geeignet ausgebildete Kühlelemente eine entsprechend starke Kühlung erfolgt und umgekehrt. Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann somit auf eine Weise gekühlt werden, die einer inhomogenen Temperaturverteilung entgegenwirkt, was insbesondere im Hinblick auf eine wirksame Kühlung der Strömungseintrittskante von Vorteil ist.
  • Erfindungsgemäß ist das Kühlvermögen jedes einzelnen zapfenförmigen Kühlelements über eine geeignet ausgebildete Länge dem vorgegebenen örtlichen Kühlbedarf in der Umgebung des Kühlelements angepasst. Kühlelemente, in deren Umgebung ein hoher Kühlbedarf besteht, weisen erfindungsgemäß eine größere Länge auf als Kühlelemente in deren Umgebung der Kühlbedarf, beispielsweise für die Strömungseintrittskante, geringer ausgeprägt ist. Durch Erhöhung der Länge eines einzelnen Kühlelements wird zum einen der "Verwirbelungsbereich" als auch die zu kühlende Oberfläche vergrößert, einhergehend mit einer deutlichen Erhöhung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Turbinenschaufel, mit einer Strömungseintrittskante, einem in der Turbinenschaufel ausgebildeten Kühlkanal zur Durchführung von Kühlluft, der sich wenigstens abschnittsweise längs der Strömungseintrittkante erstreckt, und einer Anzahl von Kühlelementen, die in Längsrichtung des Kühlkanals in diesem aufeinanderfolgend ortsfest angeordnet sind, wobei jedes einzelne Kühlelement ein Kühlvermögen aufweist, welches einem vorgegebenen Kühlbedarf für die Strömungseintrittskante in der Umgebung des Kühlelements angepasst ist, und wobei sich der Kühlkanal bevorzugt parallel zur Strömungseintrittskante durchgehend durch die Turbinenschaufel erstreckt.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    eine skizzenhafte Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit einer Anzahl von in einem Kühlkanal angeordneten zapfenförmigen Kühlelementen und
    FIG 2
    einen Längsschnitt durch die Turbinenschaufel entlang einer Strömungseintrittskante.
  • FIG 1 zeigt eine skizzenhafte Schnittdarstellung eines vorderen Abschnitts einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10, mit einer ebenen Schnittfläche rechtwinkelig zur Strömungseintrittskante 12. Im Inneren der Turbinenschaufel 10 ist nahe der Strömungseintrittskante 12 ein sich parallel zur Strömungseintrittskante 12 erstreckender Kühlkanal 14 ausgebildet (also ein sich radial erstreckender Kanal 14 bei axial durchströmten Turbinen), der gegenüber der Strömungseintrittskante 12 durch einen Wandabschnitt 24 begrenzt ist. Von einer gewölbten Wandfläche 16 des Kühlkanals 14 erstrecken sich zapfenförmige Kühlelemente 18 in den Kühlkanal 14 hinein, wobei die Kühlelemente 18 mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche 16 gerichtet sind.
  • In einer Rückwand 20 des Kühlkanals 14 sind Öffnungen 22 ausgebildet, um dem Kühlkanal 14 von weiteren Kühlkanälen (nicht dargestellt), die im hinteren Bereich der Turbinenschaufel 10 ausgebildet sind, Kühlluft zuzuführen.
  • FIG 2 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des vorderen Abschnitts der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10, mit einer ebenen Schnittfläche parallel zur Strömungseintrittskante 12. Die an der gewölbten Wandfläche 16 des Kühlkanals 14 ausgebildeten Kühlelemente 18 erstrecken sich orthogonal von der gewölbten Wandfläche 16 hinein in den Kühlkanal 14. Wie aus FIG 2 ersichtlich variiert in radialer Richtung R die Länge der Kühlelemente 18. Dies dient erfindungemäß dazu, der sich bei Einsatz der Turbinenschaufel 10 entlang der Strömungseintrittskante 12 ausbildenden inhomogenen Temperaturverteilung entgegenzuwirken. So wird insbesondere zum Zentrum der Strömungseintrittskante 12 der Turbinenschaufel 10 hin diese eine höhere Betriebstemperatur aufweisen als in den Randbereichen der Strömungseintrittskante 12. Aus diesem Grund weisen die Kühlelemente 18 im mittleren Bereich eine größere Länge auf als in den Randbereichen, da, wie oben dargelegt, durch eine Erhöhung der Länge der Kühlelemente 18 der lokale Wärmeübergangskoeffizient und damit das Kühlvermögen der Kühlelemente 18 erhöht werden kann.
  • Ergänzend zur der vorliegend vorgenommenen Konvektionskühlung über die den Kühlkanal 14 durchströmenden Kühlluft und ergänzend zur der Kühlung durch die kegelstumpfförmigen Kühlelemente 18 ist erfindungsgemäß ferner der Einsatz einer Prallkühlung vorgesehen. Die Prallkühlung umfasst vorliegend den Aufprall von aus den Öffnungen 22 austretender Kühlluft auf die gewölbte Wandfläche 16 bzw. die Kühlelemente 18, um dort lokal eine sehr gute Kühlwirkung zu ermöglichen. Da erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Kühlelemente 18 mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche 16 gerichtet sind, kann eine sehr wirksame Prallkühlung bereitgestellt werden, mit der in Verbindung mit der entsprechenden Konvektionskühlung insgesamt eine sehr wirksame Kühlung der Turbinenschaufel 10 bereitgestellt werden kann. Der Kühlkanal 14 ist zu beiden Seiten der Turbinenschaufel 10 geöffnet, um die Kühlluft in zwei Richtungen aus dem Kühlkanal 14 strömen zu lassen. Dadurch wird eine Temperaturharmonisierung der Turbinenschaufel 10 begünstigt, da dort, wo Kühlluft benötigt wird, auch Kühlluft zur Verfügung gestellt wird, und die Wirkung der Prallkühlung nicht durch eine Querströmung reduziert wird.
  • Anstelle von kegelstumpfförmigen Gebilden können die Kühlelemente 18 auch rippenförmig ausgebildet sein, die sich entlang des Kühlkanals 14, also in Strömungsrichtung der Kühlluft erstrecken. Dabei wird die Oberfläche der Wandfläche 16 signifikant erhöht, um die Kühlung der dann vorzugsweise konvektiv gekühlten Turbinenschaufel 10 zu verbessern. Dabei ist denkbar, dass die Höhe der Rippen aufgrund der vorgenannten lokal unterschiedlichen Temperaturen an der Strömungseintrittskante 12 dazu korrespondierend angepasst sein kann.

Claims (12)

  1. Turbinenschaufel (10), mit mindestens einem Kühlelement (18) und einem Kühlkanal (14) zum Hindurchleiten eines Kühlmediums, in dessen Strömung das mindestens eine Kühlelement (18) angeordnet ist, bei der das mindestens eine Kühlelement (18) zapfenförmig ausgebildet ist.
  2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, mit einer sich an einer Seite der Turbinenschaufel (10) erstreckenden Strömungseintrittskante (12), bei der der Kühlkanal (14) gegenüber der Strömungseintrittskante (12) durch einen Wandabschnitt (24) begrenzt ist und das mindestens eine Kühlelement (18) von diesem Wandabschnitt (24) ausgehend sich in den Kühlkanal (14) hinein erstreckt.
  3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kühlkanal (14) durch einen Wandabschnitt (24) begrenzt ist, der zum Kühlkanal (14) gewandt eine gewölbte Wandfläche (16) aufweist, bei der zwei oder mehr Kühlelemente (18) vorgesehen sind, bei der die Kühlelemente (18) eine in den Kühlkanal (14) sich hinein erstreckende Längserstreckung aufweisen, und bei der die zwei oder mehr Kühlelemente (18) mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche (16) gerichtet sind.
  4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2, bei der der Wandabschnitt (24) eine zum Kühlkanal (14) gewandte Wandfläche (16) aufweist, und bei der sich das mindestens eine Kühlelement (18) orthogonal zu der Wandfläche (16) in den Kühlkanal (14) hinein erstreckt.
  5. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 3, bei der sich die zwei oder mehr Kühlelemente (18) orthogonal zu der gewölbten Wandfläche (16) in den Kühlkanal (14) hinein erstrecken.
  6. Turbinenschaufel nach Anspruch 2 oder 4, bei der das mindestens eine Kühlelement (18) einstückig mit dem Wandabschnitt (24) ausgebildet ist.
  7. Turbinenschaufel nach Anspruch 3 oder 5, bei der die zwei oder mehr Kühlelemente (18) einstückig mit dem Wandabschnitt (24) ausgebildet sind.
  8. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zwei oder mehr Kühlelemente (18) vorgesehen sind, die unterschiedliche Längen aufweisen.
  9. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 8, bei der die Länge der einzelnen Kühlelemente (18) einem vorgegebenen örtlichen Kühlbedarf angepasst ist.
  10. Turbinenschaufel (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Strömungseintrittskante (12), einem in der Turbinenschaufel (10) ausgebildeten Kühlkanal (14) zur Durchführung von Kühlluft, der sich wenigstens abschnittsweise längs der Strömungseintrittkante (12) erstreckt, und einer Anzahl von Kühlelementen (18), die in Längsrichtung des Kühlkanals (14) in diesem aufeinanderfolgend ortsfest angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einzelne Kühlelement (18) ein Kühlvermögen aufweist, welches einem vorgegebenen Kühlbedarf für die Strömungseintrittskante (12) in der Umgebung des Kühlelements (18) angepasst ist.
  11. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (14) parallel zur Strömungseintrittskante (12) durchgehend durch die Turbinenschaufel (10) erstreckt.
  12. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Kühlelemente (18) als entlang des Kühlkanals (14) sich erstreckende Rippen oder als entlang des Kühlkanals (14) verteilte Zapfen ausgebildet sind, deren Höhe an den lokalen Kühlbedarf angepasst ist.
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