EP2196625A1 - Turbinenschaufel mit in einer Trennwand angeordnetem Durchlass und entsprechender Gusskern - Google Patents

Turbinenschaufel mit in einer Trennwand angeordnetem Durchlass und entsprechender Gusskern Download PDF

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Publication number
EP2196625A1
EP2196625A1 EP08021447A EP08021447A EP2196625A1 EP 2196625 A1 EP2196625 A1 EP 2196625A1 EP 08021447 A EP08021447 A EP 08021447A EP 08021447 A EP08021447 A EP 08021447A EP 2196625 A1 EP2196625 A1 EP 2196625A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
passage
coolant
sections
regions
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Withdrawn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
EP08021447A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Winfried Dr. Esser
Christian Lerner
Christoph Schiefer
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP08021447A priority Critical patent/EP2196625A1/de
Publication of EP2196625A1 publication Critical patent/EP2196625A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade with an aerodynamically curved airfoil, in which at least two areas of at least one cavity through which a coolant flows are largely separated from one another via a partition, such that at least one passage in the form of a cross-connection is provided in the partition at least in terms of a fluidic connection. Furthermore, the invention relates to a casting core for use in a casting device for producing a cast turbine blade according to the preamble of claim 1, by means of which, after its removal from the cast turbine blade, at least one cavity through which a coolant can flow remains in the turbine blade.
  • An initially mentioned turbine blade and a casting core for producing such a turbine blade for example, from WO 2003/042503 A1 known.
  • the turbine blade shown therein has four separate cooling systems for cooling the airfoil.
  • the cooling systems are formed by cavities provided inside the airfoil.
  • the cavities of the turbine blade produced in the casting process are produced using four lost casting cores.
  • the Indian WO 2003/042503 A1 denoted by the reference numeral 58 casting core is meandering formed with a total of two deflection, so that the remaining through him, the pressure side arranged cooling channel of the turbine blade has a total of three substantially parallel, mutually spaced cooling duct sections.
  • the third section of the respective cooling channel which can be flowed through by a cooling fluid as the last, serves to cool the leading edge and ends at the blade tip side.
  • the casting core required for the production of the cooling channel has a pin-shaped bridge between the first and the second Second cooling channel section to ensure sufficient stability of the casting core.
  • cross-connection is also known as the so-called "cross-over-hole”.
  • the casting cores are made of a ceramic material, wherein the pin-like bridge is usually designed as a pin made of quartz, which is attached to the respective sections of the casting core or adjacent casting cores.
  • the pins serve primarily to stabilize the casting core for the manufacturing process and for the exact storage of the casting core in the casting device during the filling process.
  • the object of the invention is to provide a turbine blade and to provide a casting core for producing the initially mentioned turbine blade, in which the amount of cooling air flowing through the cross connection is minimized while providing a further accurately positionable and stable casting core.
  • the task directed to the turbine blade is achieved with a turbine blade according to the features of claim 1.
  • the task directed to the casting core is achieved by a casting core according to the features of claim 8.
  • the invention proposes that the passage has a longitudinal sectional contour or orientation which makes it more difficult for it to flow through with coolant or the inflow of coolant, compared to a rectilinear passage extending perpendicularly through the dividing wall. It follows for a casting core that its support element, which in the turbine blade leaves the passage, is formed so that it forms the passage according to the invention.
  • the invention is based on the finding that a smaller amount of coolant flows through the passage when it has a longitudinal section contour or an orientation that makes it difficult to flow through the passage or the inflow. This ensures that the coolant flows as intended in those areas of a cavity of the turbine blade, which must be cooled by this. In this respect, the coolant is prevented from shortening its flow path via the passage in the dividing wall.
  • the coolant in one of the two regions, has a flow direction and the passage - based on the relevant area and on the coolant - on this side inlet and an other side outlet, wherein - based on the flow direction of the coolant in the area concerned - In the partition of the inlet is arranged downstream of the outlet.
  • This refinement is advantageous in particular in the case of regions which can be flowed through sequentially by one and the same coolant, which coolant can flow through in the opposite direction, for the most part. Since the inlet is provided downstream of the outlet in the partition wall and the pressure in the coolant decreases steadily with increasing channel length, the pressure difference between the inlet and the outlet is smaller than with a passage extending perpendicularly through the partition wall.
  • the passage may have an orientation that is partially opposite to the coolant flow direction in the inlet-side region.
  • a flow direction deflection is for the inflow of coolant required by more than 90 °, which makes the inflow of coolant difficult. This, too, reduces the flow rate of coolant through the passageway, resulting in an increase in the amount of coolant that flows properly through each of the respective areas of the cavity.
  • the passage can have differently sized cross sections along its extension. It is particularly advantageous if at least one transition between two different sized cross sections is formed in stages.
  • the abrupt change of the cross-section along the extension of the passage in accordance with a discontinuous pipe constriction or pipe extension leads to a loss of shock in the coolant flow as a result of the speed decrease or increase in speed.
  • the shock loss leads to an increased resistance coefficient for the flow in the passage, which in turn makes it difficult to flow through the passage.
  • the amount of coolant flowing through the passage can be reduced, which leads to an increase in the amount of coolant flowing through the regions.
  • the coolant in one of the regions, has a flow direction and the passage - with respect to the relevant region and to the coolant - on this side inlet and an other side outlet, wherein the passage has a cross-section centrally between inlet and outlet, which is substantially larger or smaller than the cross section of the inlet and / or the outlet.
  • the two areas are part of a cavity or are formed by two different cavities or whether the two areas are flowed through sequentially or in parallel by coolant.
  • the areas are connected to a coolant supply in such a way that the coolant that can flow in them flows in the opposite direction. This is given, for example, when the regions can be flowed through by coolant in a sequential manner and the cavity as a whole is meander-shaped, the regions being connected to one another via a deflection region.
  • the turbine blade may be formed both as a guide blade and as a blade.
  • both the areas and the cavities are part of a cooling system, which are arranged in the turbine blade.
  • the passages relating to the invention do not serve for the use of impingement cooling and are therefore not designed as impingement cooling openings.
  • the passages relating to the invention are solely due to the fact that for a secure and reliable positioning of the casting core and parts of its supporting elements are required, which support adjacent portions of the casting core or adjacent casting cores with each other.
  • the invention also relates to a casting core for use in a casting apparatus, by means of which a cast turbine blade according to the preamble of claim 1 can be produced, wherein after removal of the casting core from the cast turbine blade a permeable by a coolant cavity remains in the turbine blade.
  • the casting core comprises at least two sections, which are mainly separated from one another via a free space, and at least one support element arranged in the region of the free space and connecting the sections to one another.
  • the casting core is suitable after removal from a cast Turbine blade to connect the two hollow portions of the turbine blade left by the sections by means of a passage left by the support member in a partition wall, wherein the support member of the casting core is formed such that it leaves in the turbine blade a passage with a longitudinal sectional contour or orientation, which flows through the Passage or inflow of coolant difficult compared with a straight through the partition wall of the turbine blade extending rectilinear passage.
  • FIG. 1 shows the cross section through an airfoil 10 of a turbine blade 12.
  • the airfoil 10 is aerodynamically curved in a known manner and thus has an anströmbare of a working medium leading edge 14.
  • the air flowing around the blade 10 working fluid leaves the Turbine blade 12 at the trailing edge 16.
  • a suction-side airfoil wall 18 and a pressure-side airfoil wall 20 extend between the leading edge 14 and the trailing edge 16.
  • the airfoil 10 is hollow in the interior and has, by way of example, two cavities 21, 22 which are divided into regions 23, 24, 25, 26 are logically subdivided.
  • the front edge side region 23 is separated from the adjacent region 24 by a first partition wall 28, wherein the partition wall 28 extends from the suction side airfoil wall 18 to the pressure side airfoil wall 20.
  • the region 24 of the area 24 of the area inside the turbine blade 12 is immediately followed by the region 26.
  • the longitudinal section through the turbine blade 12 shows FIG. 2 ,
  • the turbine blade 12 according to FIG. 2 is designed as a guide vane for an axially effetströmbare gas turbine.
  • the turbine blade 12 is also equipped both with an outer platform 27 and an inner platform 30, whose respective, the airfoil 10 facing wall surface respectively forms parts of the radially outer and radially inner boundary surface of the annular cross-sectional flow channel of the working medium.
  • the turbine blade 12 has, for example, a feed opening 32 for a coolant 34, preferably cooling air, present on the inner platform 30.
  • the cavities 21, 22 are in fluid communication with the supply port 32 so that the coolant 34 flowing through the supply port 32 may enter both the cavity 21 and the cavity 22.
  • the coolant 34 entering the cavity 21 can exit through openings 36 arranged in the front edge 14 and mix with the working medium flowing around the airfoil 10.
  • the openings 36 are arranged in the form of a grid, known as a shower head.
  • the coolant 34 entering the region 24 of the cavity 22 flows to the radially outer end of the turbine blade 12, where it passes largely through the outer platform 27 in its direction is deflected by 180 °.
  • the coolant 34 flows through the region 25 and, after a further deflection, the region 26. From there, the coolant can exit from the turbine blade 12 via openings 38 arranged in the trailing edge 16.
  • the areas 24, 25 are separated by a separating wall 29 extending from the suction side airfoil wall 18 to the pressure side airfoil wall 20.
  • the areas 25, 26 are separated by a comparable partition 31 from each other.
  • two passages 40, 42 are arranged by way of example, which can be flowed through by coolant.
  • the coolant 34 flowing in the region 25 can partially pass into the region 26 without this coolant portion having to reach the platform-side deflection region 43 of the cavity 22, which is fluidically provided between the two regions 25, 26. Due to the presence of the passages 40, 42, the two regions 25, 26 are no longer completely separated from each other locally (in the region of the passage), but only to a large extent.
  • Both passages 40, 42 each have an inlet 44 and an outlet 46 for the coolant 34.
  • the orientation of the passage 40 is selected such that the coolant flowing through the region 25 for flowing into the passage 40 must be deflected by more than 90 ° from its previous flow direction, which makes it difficult for coolant 34 to flow into the passage 40. As a result, the amount of coolant 34 flowing through to the passage 40 can be reduced.
  • the inlet 44 with respect to the flow direction of the coolant 34, is arranged downstream of the outlet 46 in that region 25 in which the inlet 44 is arranged.
  • the longitudinal section contour of the passage 42 serves the same purpose.
  • the cross-sectional area is of the inlet 44 and the outlet 46 is smaller than the cross-sectional area which the passage 42 has centrally between the inlet 44 and the outlet 46.
  • the transition between the differently sized cross-sections of the passage 42 takes place in stages, so that in particular a pressure loss and circulations can be generated, which further complicate the passage of the passage 42 with coolant 34.
  • a diffuser-shaped contour (conical shape) could be selected.
  • the position of the passage according to the invention in the turbine blade 12 is not limited to the embodiment.
  • a further passage may be provided in each case.
  • a casting core 50 required for producing a turbine blade 12 according to the invention is shown FIG. 3 in a side view.
  • the casting core 50 is commonly used in a casting apparatus required to make a cast turbine blade.
  • the casting core 50 accommodates in the casting apparatus that space which is free of casting material in the cast turbine blade 12 after its completion and accordingly represents the cavity 21, 22 of the turbine blade 12.
  • the for the production of in 1 and 2 Casting core 50 thus required comprises a plurality of sections 52, 54, 56 and 58.
  • Each section 52, 54, 56 and 58 is of pin-shaped, oblong shape, which are each connected at one end to an adjacent section.
  • the sections 52, 54 are interconnected in area A.
  • the sections 54, 56 are in the area B and the sections 56, 58 are connected to each other in the area C.
  • the areas B, C leave in the cast turbine blade 12, the deflection areas 43. Due to the pin-like shape of the sections 52, 54, 56, 58 and only one side, end provided connection to adjacent sections on the areas B, C is from the Prior art known casting core only relatively poorly handled, so that it tends to break during its attachment in the casting apparatus.
  • supporting elements 60, 62 are provided between two immediately adjacent sections 56, 58, which connect the two relevant sections 56, 58 with each other and thus increase the rigidity of the casting core 50 as a whole.
  • the support elements 60, 62 which are also referred to as pins or quartz pins, according to the invention have a longitudinal sectional contour or orientation, which impedes the passage of the generated through them in the cast turbine blade 12 passage 40, 42, compared with a perpendicular through the partition wall of the turbine blade 12 extending rectilinear, d. H. cylindrical passage with constant diameter.
  • One of the two support elements 60 does not extend perpendicular to the longitudinal extent of the sections 56, 58.
  • the other support element 62 extends perpendicular to the surface of the section 56, 58, but this is not formed cylindrically with a constant diameter. It has two diameters of different sizes, with the diameter provided centrally between the section 56 and the section 58 being substantially larger than the diameter immediately adjacent to the sections 56, 58.
  • the support elements 60, 62 which are also removed like the casting core 50 after the casting of the turbine blade 12 from its interior, lead to arranged in the partition wall 31 passages 40, 42 (FIGS. FIG. 2 ).
  • the invention thus relates to a turbine blade 12 having an aerodynamically curved airfoil 10, in which at least two areas 23-26 of at least one cavity 21, 22 which can be flowed through by a coolant 34 are locally separated from each other by a rib-shaped partition wall 31, apart from a locally arranged passage 40 or passage 42. Due to the presence of at least a passage 40, 42 in the partition wall 28 - 31, the two areas 23 - 26 are only largely separated from each other.
  • the passage 40, 42 has a longitudinal sectional contour or orientation, which the through or Inflowing of the passage 40, 42 with coolant 34 difficult compared to a straight through the rib-shaped partition wall 31 extending rectilinear passage.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel 12 mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt 10, in dem mindestens zwei von einem Kühlmittel 34 durchströmbare Bereiche 23 - 26 zumindest eines Hohlraums 21, 22 lokal über eine rippenförmige Trennwand 31 voneinander getrennt sind, abgesehen von einem lokal angeordneten Durchlass 40 oder Durchlass 42. Aufgrund des Vorhandenseins von mindestens einem Durchlass 40, 42 in der Trennwand 28 - 31 sind die beiden Bereiche 23 - 26 lediglich größtenteils voneinander getrennt. Um eine Durchströmung des Durchlasses 40, 42 so gering wie möglich zu halten und eine somit besonders effiziente Nutzung von Kühlmittel 34 in der Turbinenschaufel 12 zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der Durchlass 40, 42 eine Längsschnittkontur oder Orientierung aufweist, welche das Durch- oder Einströmen des Durchlasses 40, 42 mit Kühlmittel 34 erschwert, verglichen mit einem sich senkrecht durch die rippenförmige Trennwand 31 erstreckenden geradlinigen Durchlass.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, in dem zumindest zwei von Kühlmittel durchströmbare Bereiche zumindest eines Hohlraums über eine Trennwand größtenteils voneinander getrennt sind, derart, dass in der Trennwand zumindest ein die Bereiche strömungstechnisch verbindender Durchlass in Form einer Querverbindung vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Gusskern zur Verwendung in einer Gießvorrichtung zum Herstellen einer gegossenen Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mittels dem nach dessen Entfernung aus der gegossenen Turbinenschaufel zumindest ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Hohlraum in der Turbinenschaufel verbleibt.
  • Eine eingangs genannte Turbinenschaufel und ein Gusskern zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der WO 2003/042503 A1 bekannt. Die darin gezeigte Turbinenschaufel weist vier getrennte Kühlsysteme zur Kühlung des Schaufelblattes auf. Die Kühlsysteme werden von Hohlräumen gebildet, die im Inneren des Schaufelblattes vorgesehen sind. Dabei sind die Hohlräume der im Gießverfahren hergestellten Turbinenschaufel unter Verwendung von vier verlorenen Gusskernen hergestellt. Der in der WO 2003/042503 A1 mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnete Gusskern ist dabei mäanderförmig mit insgesamt zwei Umlenkbereichen ausgebildet, so dass der durch ihn verbleibende, druckseitig angeordnete Kühlkanal der Turbinenschaufel insgesamt drei im Wesentlichen parallele, zueinander beabstandete Kühlkanalabschnitte aufweist. Der von einem Kühlfluid als letztes durchströmbare, dritte Abschnitt des betreffenden Kühlkanals dient zur Kühlung der Anströmkante und endet dabei schaufelspitzseitig. Im Bereich der Schaufelspitze weist der zur Herstellung des Kühlkanals benötigte Gusskern eine stiftförmige Brücke zwischen erstem und zweitem Kühlkanalabschnitt auf, um eine ausreichende Stabilität des Gusskerns zu gewährleisten. Durch die Verwendung der stiftartigen Brücke zwischen den beiden Kühlkanalabschnitten entsteht in der mit diesem Gusskern hergestellten Turbinenschaufel eine Querverbindung zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich des Kühlkanals, durch den eine prinzipiell ungewünschte Kühlluftströmung auftritt.
  • Diese Querverbindung ist dabei auch als so genanntes "Cross-Over-Hole" bekannt.
  • Prinzipiell sind dabei die Gusskerne aus einem keramischen Material gefertigt, wobei die stiftartige Brücke zumeist als ein Pin aus Quarz ausgebildet ist, die an den jeweiligen Abschnitten des Gusskerns oder benachbarter Gusskerne befestigt ist. Die Pins dienen hauptsächlich zur Stabilisierung des Gusskerns für den Herstellungsprozess und zur exakten Lagerung des Gusskerns in der Gießvorrichtung während des Einfüllvorgangs.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbinenschaufel und die Bereitstellung eines Gusskerns zum Herstellen der eingangs genannten Turbinenschaufel, bei der die Menge an die Querverbindung durchströmender Kühlluft minimiert ist unter Bereitstellung eines weiterhin exakt positionierbaren und stabilen Gusskerns.
  • Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf den Gusskern gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Gusskern gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.
  • Die Erfindung schlägt vor, dass der Durchlass eine Längsschnittkontur oder Orientierung aufweist, welche dessen Durchströmung mit Kühlmittel bzw. das Einströmen von Kühlmittel erschwert, verglichen mit einem sich senkrecht durch die Trennwand erstreckenden geradlinigen Durchlass. Daraus ergibt sich für einen Gusskern, dass dessen Stützelement, welches in der Turbinenschaufel den Durchlass hinterlässt, so ausgebildet ist, dass dieser den erfindungsgemäßen Durchlass formt.
  • Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass eine geringere Menge an Kühlmittel durch den Durchlass strömt, wenn dieser eine Längsschnittkontur oder eine Orientierung aufweist, die das Durchströmen des Durchlasses oder das Einströmen erschwert. Hierdurch wird erreicht, dass das Kühlmittel bestimmungsgemäß in diejenigen Bereiche eines Hohlraums der Turbinenschaufel strömt, die von diesem gekühlt werden müssen. Insofern wird verhindert, dass das Kühlmittel über den in der Trennwand vorhandenen Durchlass seinen Strömungsweg verkürzt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist in einem der beiden Bereiche das Kühlmittel eine Strömungsrichtung auf und der Durchlass - bezogen auf den betreffenden Bereich und auf das Kühlmittel - einen diesseitigen Einlass und einen jenseitigen Auslass auf, wobei - bezogen auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels im betreffenden Bereich - in der Trennwand der Einlass stromab des Auslasses angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei sequentiell von ein und demselben Kühlmittel durchströmbaren Bereichen von Vorteil, die zumeist in entgegengesetzter Richtung von Kühlmittel durchströmbar sind. Da in der Trennwand der Einlass stromab des Auslasses vorgesehen ist und der Druck im Kühlmittel mit zunehmender Kanallänge stetig abnimmt, ist die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass kleiner als bei einem Durchlass, der sich senkrecht durch die Trennwand erstreckt. Aufgrund des geringeren Druckgefälles wird eine geringere Menge an Kühlluft durch einen derartigen Durchlass strömen. Zudem kann der Durchlass eine Orientierung aufweisen, die der Kühlmittel-Strömungsrichtung im einlassseitigen Bereich teilweise entgegengesetzt ist. Insofern ist zum Einströmen von Kühlmittel eine Strömungsrichtungsumlenkung von mehr als 90° erforderlich, was das Einströmen von Kühlmittel erschwert. Auch dies verringert den Durchsatz an Kühlmittel durch den Durchlass, was zu einer Erhöhung der Kühlmittelmenge führt, die bestimmungsgemäß durch die einzelnen betreffenden Bereiche des Hohlraums strömt.
  • Ergänzend oder alternativ zur vorgenannten vorteilhaften Ausgestaltung kann gemäß einer Weiterbildung der Durchlass entlang seiner Erstreckung unterschiedlich große Querschnitte aufweisen. Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn zumindest ein Übergang zwischen zwei unterschiedlich großen Querschnitten stufig ausgebildet ist. Die sprunghafte Änderung des Querschnittes entlang der Erstreckung des Durchlasses gemäß einer unstetigen Rohrverengung oder Rohrerweiterung führt zu einem Stoßverlust in der Kühlmittelströmung in Folge der Geschwindigkeitsabnahme respektive Geschwindigkeitszunahme.
    Der Stoßverlust führt zu einem erhöhten Widerstandsbeiwert für die Strömung im Durchlass, was wiederum das Durchströmen des Durchlasses erschwert. Auch hierdurch kann die Menge an den Durchlass durchströmendem Kühlmittel vermindert werden, was zu einer Erhöhung der Kühlmittelmenge führt, die die Bereiche durchströmt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist in einem der Bereiche das Kühlmittel eine Strömungsrichtung auf und der Durchlass - bezogen auf den betreffenden Bereich und auf das Kühlmittel - einen diesseitigen Einlass und einen jenseitigen Auslass auf, wobei der Durchlass mittig zwischen Einlass und Auslass einen Querschnitt aufweist, der wesentlich größer oder kleiner ist als der Querschnitt des Einlasses und/oder des Auslasses.
  • Hierdurch wird eine stufenartige Querschnittserweiterung mit anschließender Querschnittsverjüngung erreicht, wobei in dem Bereich des größeren Querschnittes störende Verwirbelungen entstehen, die wiederum ihrerseits den Strömungswiderstand für das Kühlmittel erhöhen und die Durchströmung des Durchlasses weiter erschweren.
  • Es ist dabei unerheblich, ob die beiden Bereiche Teil eines Hohlraums sind oder von zwei unterschiedlichen Hohlräumen gebildet werden oder ob die beiden Bereiche sequentiell oder parallel von Kühlmittel durchströmbar sind. Vorzugsweise sind die Bereiche doch derart mit einer Kühlmittelzuführung verbunden, dass das in ihnen strömbare Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung strömt. Dies ist beispielsweise gegeben, wenn die Bereiche sequentiell von Kühlmittel durchströmbar sind und der Hohlraum insgesamt mäanderförmig ausgebildet ist, wobei die Bereiche über einen Umlenkbereich miteinander verbunden sind.
  • Zweckmäßigerweise kann die Turbinenschaufel sowohl als Leitschaufel als auch als Laufschaufel ausgebildet sein. Prinzipiell gilt, dass sowohl die Bereiche als auch die Hohlräume Teil eines Kühlsystems sind, die in der Turbinenschaufel angeordnet sind.
  • Es sei bemerkt, dass die für die Erfindung betreffenden Durchlässe nicht zur Verwendung einer Prallkühlung dienen und demnach nicht als Prallkühlöffnungen ausgebildet sind. Die die Erfindung betreffenden Durchlässe sind allein der Tatsache geschuldet, dass zu einer sicheren und zuverlässigen Positionierung des Gusskerns und Teile dessen Stützelemente erforderlich sind, die benachbarte Abschnitte des Gusskerns oder auch benachbarter Gusskerne miteinander abstützen. Insofern betrifft die Erfindung auch einen Gusskern zur Verwendung in einer Gießvorrichtung, mittels dem eine gegossene Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 herstellbar ist, wobei nach dem Entfernen des Gusskerns aus der gegossenen Turbinenschaufel ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Hohlraum in der Turbinenschaufel verbleibt. Der Gusskern umfasst zumindest zwei Abschnitte, die über einen Freiraum hauptsächlich voneinander getrennt sind, und zumindest ein im Bereich des Freiraums angeordnetes, die Abschnitte miteinander verbindendes Stützelement. Der Gusskern ist geeignet, um nach dessen Entfernung aus einer gegossenen Turbinenschaufel die beiden von den Abschnitten hinterlassenen hohlen Bereiche der Turbinenschaufel mittels eines vom Stützelement in einer Trennwand hinterlassenen Durchlasses zu verbinden, wobei das Stützelement des Gusskerns derartig ausgebildet ist, dass dieser in der Turbinenschaufel einen Durchlass mit einer Längsschnittkontur oder Orientierung hinterlässt, welche das Durchströmen des Durchlasses oder das Einströmen von Kühlmittel erschwert, verglichen mit einem sich senkrecht durch die Trennwand der Turbinenschaufel erstreckenden geradlinigen Durchlass.
  • Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Stützelements anstelle eines aus dem Stand der Technik bekannten Quarz-Pins wird die mechanische Integrität nicht verändert. Jedoch kann in einer damit hergestellten Turbinenschaufel weiter Kühlmittel eingespart werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung angegeben.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    den Querschnitt durch ein Schaufelblatt einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel,
    FIG 2
    den Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel gemäß FIG 1 und
    FIG 3
    einen Gusskern in einer Seitenansicht zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel gemäß FIG 1 und 2.
  • FIG 1 zeigt den Querschnitt durch ein Schaufelblatt 10 einer Turbinenschaufel 12. Das Schaufelblatt 10 ist in bekannter Art und Weise aerodynamisch gekrümmt und weist demnach eine von einem Arbeitsmedium anströmbare Vorderkante 14 auf. Das das Schaufelblatt 10 umströmende Arbeitsmedium verlässt die Turbinenschaufel 12 an der Hinterkante 16. Zwischen Vorderkante 14 und Hinterkante 16 erstrecken sich eine saugseitige Schaufelblattwand 18 sowie eine druckseitige Schaufelblattwand 20. Das Schaufelblatt 10 ist im Inneren hohl ausgebildet und weist exemplarisch zwei Hohlräume 21, 22 auf, die in Bereiche 23, 24, 25, 26 logisch unterteilbar sind. Der vorderkantenseitige Bereich 23 ist gegenüber dem dazu benachbarten Bereich 24 durch eine erste Trennwand 28 getrennt, wobei die Trennwand 28 sich von der saugseitigen Schaufelblattwand 18 zur druckseitigen Schaufelblattwand 20 erstreckt. In Strömungsrichtung des das Schaufelblatt 10 umströmenden Arbeitsmediums folgt im Inneren der Turbinenschaufel 12 dem Bereich 24 der Bereich 25, dem sogleich der Bereich 26 folgt.
  • Der Längsschnitt durch die Turbinenschaufel 12 zeigt FIG 2. Die Turbinenschaufel 12 gemäß FIG 2 ist als Leitschaufel für eine axial durchströmbare Gasturbine ausgebildet. Die Turbinenschaufel 12 ist zudem sowohl mit einer äußeren Plattform 27 als auch einer inneren Plattform 30 ausgestattet, deren jeweilige, dem Schaufelblatt 10 zugewandte Wandfläche jeweils Teile der radial äußeren und radial inneren Begrenzungsfläche des im Querschnitt ringförmigen Strömungskanals des Arbeitsmediums formt.
  • Die Turbinenschaufel 12 weist beispielhaft eine an der inneren Plattform 30 vorhandene Zufuhröffnung 32 für ein Kühlmittel 34, vorzugsweise Kühlluft auf. Die Hohlräume 21, 22 stehen mit der Zufuhröffnung 32 in Strömungsverbindung, so dass das durch die Zufuhröffnung 32 einströmende Kühlmittel 34 sowohl in den Hohlraum 21 als auch in den Hohlraum 22 eintreten kann. Das in den Hohlraum 21 eintretende Kühlmittel 34 kann durch in der Vorderkante 14 angeordnete Öffnungen 36 austreten und sich mit dem das Schaufelblatt 10 umströmenden Arbeitsmedium vermischen. Die Öffnungen 36 sind dabei rasterförmig, bekannt als Shower-Head, angeordnet. Das in den Bereich 24 des Hohlraums 22 eintretende Kühlmittel 34 strömt bis zum radial äußeren Ende der Turbinenschaufel 12, wo es größtenteils durch die äußere Plattform 27 in seiner Richtung um 180° umgelenkt wird. Anschließend durchströmt das Kühlmittel 34 den Bereich 25 und nach einer weiteren Umlenkung den Bereich 26. Von dort aus kann das Kühlmittel über in der Hinterkante 16 angeordnete Öffnungen 38 aus der Turbinenschaufel 12 austreten. Die Bereiche 24, 25 werden von einer sich von der saugseitigen Schaufelblattwand 18 zur druckseitigen Schaufelblattwand 20 erstreckenden Trennwand 29 getrennt. Die Bereiche 25, 26 werden durch eine vergleichbare Trennwand 31 voneinander getrennt.
  • In der Trennwand 31 sind zwei Durchlasse 40, 42 beispielhaft angeordnet, welche von Kühlmittel durchströmbar sind. Durch diese Durchlässe 40, 42 kann das im Bereich 25 strömende Kühlmittel 34 teilweise in den Bereich 26 übertreten, ohne dass dieser Kühlmittelanteil in den plattformseitigen Umlenkbereich 43 des Hohlraums 22 gelangen muss, welcher strömungstechnisch zwischen den beiden Bereichen 25, 26 vorgesehen ist. Durch das Vorhandensein der Durchlässe 40, 42 sind die beiden Bereiche 25, 26 lokal (im Bereich des Durchlasses) nicht mehr vollständig voneinander getrennt, sondern nur noch größtenteils.
  • Beide Durchlässe 40, 42 weisen jeweils einen Einlass 44 und einen Auslass 46 für das Kühlmittel 34 auf.
  • Die Orientierung des Durchlasses 40 ist dabei so gewählt, dass das den Bereich 25 durchströmende Kühlmittel 34 zum Einströmen in den Durchlass 40 um mehr als 90° von seiner bisherigen Strömungsrichtung umgelenkt werden muss, was das Einströmen von Kühlmittel 34 in den Durchlass 40 erschwert. Hierdurch kann die Menge von an den Durchlass 40 durchströmenden Kühlmittel 34 verringert werden. In der Trennwand 31 ist dabei der Einlass 44, bezogen auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels 34 in demjenigen Bereich 25, in dem der Einlass 44 angeordnet ist, stromab des Auslasses 46 angeordnet.
  • Auch die Längsschnittkontur des Durchlasses 42 dient zu gleichem Zweck. Um dies zu erreichen, ist die Querschnittsfläche des Einlasses 44 und des Auslass 46 kleiner als diejenige Querschnittsfläche, welche der Durchlass 42 mittig zwischen Einlass 44 und Auslass 46 aufweist. Der Übergang zwischen den unterschiedlich großen Querschnitten des Durchlasses 42 erfolgt stufig, so dass insbesondere dadurch ein Druckverlust und Zirkulationen erzeugt werden können, die das Durchströmen des Durchlasses 42 mit Kühlmittel 34 weiter erschweren. Alternativ könnte auch eine diffusorförmige Kontur (Kegelform) gewählt sein.
  • Die Lage des erfindungsgemäßen Durchlasses in der Turbinenschaufel 12 ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise könnte in der Trennwand 28 fußseitig (radial außen) und/oder in der Trennwand 29 kopfseitig (radial innen) jeweils ein weiterer Durchlass vorgesehen sein.
  • Ein zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 12 benötigter Gusskern 50 zeigt FIG 3 in einer Seitenansicht. Der Gusskern 50 wird üblicherweise in einer Gießvorrichtung verwendet, die zum Herstellen einer gegossenen Turbinenschaufel erforderlich ist. Der Gusskern 50 nimmt dabei in der Gießvorrichtung denjenigen Raum ein, der in der gegossenen Turbinenschaufel 12 nach deren Fertigstellung frei von Gussmaterial ist und demnach den Hohlraum 21, 22 der Turbinenschaufel 12 darstellt. Der zur Herstellung der in FIG 1 und 2 gezeigten Turbinenschaufel 12 benötigte Gusskern 50 umfasst somit mehrere Abschnitte 52, 54, 56 und 58. Jeder Abschnitt 52, 54, 56 und 58 ist von stiftförmiger, länglicher Gestalt, welche jeweils an einem Ende mit einem benachbarten Abschnitt verbunden sind. Im Detail sind die Abschnitte 52, 54 im Bereich A miteinander verbunden. Die Abschnitte 54, 56 sind im Bereich B und die Abschnitte 56, 58 sind im Bereich C miteinander verbunden. Die Bereiche B, C hinterlassen in der gegossenen Turbinenschaufel 12 die Umlenkbereiche 43. Aufgrund der stiftförmigen Gestalt der Abschnitte 52, 54, 56, 58 und der jeweils nur einseitig, endseitig vorgesehenen Verbindung zu benachbarten Abschnitten über die Bereiche B, C ist der aus dem Stand der Technik bekannte Gusskern nur vergleichsweise schlecht handhabbar, so dass dieser während seiner Befestigung in der Gießvorrichtung zum Bruch neigt.
  • Um die Neigung des Gusskerns 50 zum Bruch zu verringern, sind zwischen zwei unmittelbar benachbarten Abschnitten 56, 58 so genannte Stützelemente 60, 62 vorgesehen, welche die beiden betreffenden Abschnitte 56, 58 miteinander verbinden und somit die Steifigkeit des Gusskerns 50 insgesamt erhöht. Die Stützelemente 60, 62, welche auch als Stifte oder Quarz-Pins bezeichnet werden, weisen erfindungsgemäß eine Längsschnittkontur oder eine Orientierung auf, welche das Durchströmen des durch sie in der gegossenen Turbinenschaufel 12 erzeugten Durchlasses 40, 42 erschwert, verglichen mit einer sich senkrecht durch die Trennwand der Turbinenschaufel 12 erstreckenden geradlinigen, d. h. zylindrischen Durchlass mit konstantem Durchmesser.
  • Eines der beiden Stützelemente 60 erstreckt sich nicht senkrecht zur Längserstreckung der Abschnitte 56, 58. Das andere Stützelement 62 erstreckt sich zwar senkrecht zur Oberfläche des Abschnittes 56, 58, jedoch ist dieses nicht zylindrisch mit einem konstanten Durchmesser ausgebildet. Es weist zwei unterschiedlich große Durchmesser auf, wobei der mittig zwischen dem Abschnitt 56 und dem Abschnitt 58 vorgesehene Durchmesser wesentlich größer ist als der unmittelbar an den Abschnitten 56, 58 angrenzende Durchmesser. Die Stützelemente 60, 62, die gleichfalls wie der Gusskern 50 nach dem Gießen der Turbinenschaufel 12 aus dessen Inneren entfernt werden, führen zu in der Trennwand 31 angeordneten Durchlässen 40, 42 (FIG 2) .
  • Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenschaufel 12 mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt 10, in dem mindestens zwei von einem Kühlmittel 34 durchströmbare Bereiche 23 - 26 zumindest eines Hohlraums 21, 22 lokal über eine rippenförmige Trennwand 31 voneinander getrennt sind, abgesehen von einem lokal angeordneten Durchlass 40 oder Durchlass 42. Aufgrund des Vorhandenseins von mindestens einem Durchlass 40, 42 in der Trennwand 28 - 31 sind die beiden Bereiche 23 - 26 lediglich größtenteils voneinander getrennt. Um eine Durchströmung des Durchlasses 40, 42 so gering wie möglich zu halten und eine somit besonders effiziente Nutzung von Kühlmittel 34 in der Turbinenschaufel 12 zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der Durchlass 40, 42 eine Längsschnittkontur oder Orientierung aufweist, welche das Durch- oder Einströmen des Durchlasses 40, 42 mit Kühlmittel 34 erschwert, verglichen mit einem sich senkrecht durch die rippenförmige Trennwand 31 erstreckenden geradlinigen Durchlass.

Claims (9)

  1. Turbinenschaufel (12) mit einem Schaufelblatt (10), in dem zumindest zwei von Kühlmittel (34) durchströmbare Bereiche (23, 24, 25, 26) zumindest eines Hohlraums (21, 22) über eine Trennwand (28, 29, 31) voneinander getrennt sind, derart, dass in der Trennwand (28, 29, 31) zumindest ein die Bereiche strömungstechnisch verbindender Durchlass (40, 42) vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Durchlass (40, 42) eine Längsschnittkontur oder Orientierung aufweist,
    welche das Durchströmen des Durchlasses (40, 42) mit Kühlmittel (34) oder das Einströmen von Kühlluft erschwert, verglichen mit einem sich senkrecht durch die Trennwand (28, 29, 31) erstreckenden geradlinigen Durchlass.
  2. Turbinenschaufel (12) nach Anspruch 1,
    bei der in einem der beiden Bereiche (25) das Kühlmittel (34) eine Strömungsrichtung aufweist und der Durchlass (40)
    - bezogen auf den betreffenden Bereich (25) und auf das Kühlmittel(34) - einen diesseitigen Einlass (44) und einen jenseitigen Auslass (46) aufweist, wobei - bezogen auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels (34) im betreffenden Bereich (25) - in der Trennwand (28, 29, 31) der Einlass (44) stromab des Auslasses (46) angeordnet ist.
  3. Turbinenschaufel (12) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der der Durchlass (42) entlang seiner Längserstreckung unterschiedlich große Querschnitte aufweist.
  4. Turbinenschaufel (12) nach Anspruch 3,
    bei der zumindest ein Übergang zwischen zwei unterschiedlich großen Querschnitten stufig ist.
  5. Turbinenschaufel (12) nach Anspruch 3 oder 4,
    bei der in einem der beiden Bereiche (25) das Kühlmittel (34) eine Strömungsrichtung aufweist und der Durchlass (42)
    - bezogen auf den betreffenden Bereich (25) und auf das Kühlmittel (34) - einen diesseitigen Einlass (44) und einen jenseitigen Auslass (46) aufweist, wobei der Durchlass (40) mittig zwischen Einlass (44) und Auslass (46) einen Querschnitt aufweist, der größer oder kleiner ist als der Querschnitt des Einlasses (44) und/oder des Auslasses (46).
  6. Turbinenschaufel (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der die Turbinenschaufel zwei Hohlräume (21, 22) aufweist und die beiden Hohlräume und/oder die beiden Bereiche (23, 24, 25, 26) sequentiell oder parallel von Kühlmittel (34) durchströmbar sind.
  7. Turbinenschaufel (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der die Bereiche (23, 24, 25, 26) derart mit einer Kühlmittelzuführung verbunden sind, dass das in ihnen strömbare Kühlmittel (34) in entgegengesetzter Richtung strömt.
  8. Gusskern (50) zur Verwendung in einer Gießvorrichtung zum Herstellen einer gegossenen Turbinenschaufel (12) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mittels dem nach dessen Entfernung aus der gegossenen Turbinenschaufel (12) zumindest ein von einem Kühlmittel (34) durchströmbarer Hohlraum (20, 21) in der Turbinenschaufel (12) verbleibt,
    der zumindest zwei Abschnitte (52, 54, 56, 58), die über einen Freiraum hauptsächlich voneinander getrennt sind, und zumindest ein im Bereich des Freiraums angeordnetes, die Abschnitte (52, 54, 56, 58) miteinander verbindendes Stützelement (60, 62) umfasst und der geeignet ist, um nach dessen Entfernung aus einer gegossenen Turbineschaufel (12) die beiden von den Abschnitten (52, 54, 56, 58) hinterlassenen hohlen Bereiche (23, 24, 25, 26) der Turbinenschaufel (12) mittels eines vom Stützelement (60, 62) in einer Trennwand hinterlassenen Durchlasses (40, 42) zu verbinden,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Stützelement (60, 62) derartig ausgebildet ist, dass dieser in der Turbineschaufel (12) einen Durchlass (40, 42) mit einer Längsschnittkontur oder Orientierung hinterlässt, welche das Durchströmen des Durchlasses (42) bzw. das Einströmen von Kühlmittel in den Durchlass (40) erschwert, verglichen mit einem sich senkrecht durch die Trennwand der Turbinenschaufel (12) erstreckenden geradlinigen Durchlass.
  9. Gusskern (50) nach Anspruch 8,
    mit welchem eine gegossene Turbinenschaufel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 herstellbar ist.
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