EP3034782A1

EP3034782A1 - Film cooled turbine blade

Info

Publication number: EP3034782A1
Application number: EP14198091.2A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad; Stefan Völker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einer Turbinenschaufelwand (1), die eine Heißseite (2), welche im Turbinenbetrieb von einem Heißgas überströmt wird, und eine Kaltseite (3), die im Turbinenbetrieb von einem Kühlfluid überströmt wird, aufweist, wobei in der Turbinenschaufelwand (1) Fluidkanäle (4) ausgebildet sind, durch die das Kühlfluid von der Kaltseite (3) zur Heißseite (2) strömen kann, wobei wenigstens einem Fluidkanal (4) ein Ablenkmittel (6; 11) zugeordnet ist, das an der Heißseite der Turbinenschaufelwand relativ zu einer Strömungsrichtung des Heißgases vor einer Ausströmöffnung (5) des Fluidkanals (4) positioniert ist und von der Turbinenschaufelwand (1) in Form einer Oberflächenerhebung derart vorsteht, dass auf das Ablenkmittel (6; 11) treffendes Heißgas derart abgelenkt wird, dass es die Ausströmöffnung (5) seitlich umströmt und/oder sich von der Turbinenschaufelwand (1) ablöst.The invention relates to a turbine blade with a turbine blade wall (1), which has a hot side (2), which is overflowed by a hot gas in turbine operation, and a cold side (3), which is overflowed in the turbine operation of a cooling fluid, wherein in the turbine blade wall (1) fluid channels (4) are formed, through which the cooling fluid from the cold side (3) to the hot side (2) can flow, wherein at least one fluid channel (4) is associated with a deflection means (6; 11), which on the hot side of Turbine blade wall is positioned relative to a flow direction of the hot gas in front of an outflow opening (5) of the fluid channel (4) and projecting from the turbine blade wall (1) in the form of a surface elevation such that hot gas striking the deflection means (6; 11) is deflected such that it flows around the outflow opening (5) laterally and / or detached from the turbine blade wall (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einer Turbinenschaufelwand, die eine Heißseite, welche im Turbinenbetrieb von einem Heißgas überströmt wird, und eine Kaltseite, die im Turbinenbetrieb von einem Kühlfluid überströmt wird, aufweist, wobei in der Turbinenschaufelwand Fluidkanäle ausgebildet sind, durch die das Kühlfluid von der Kaltseite zur Heißseite strömen kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Turbinenschaufel.The invention relates to a turbine blade with a turbine blade wall having a hot side, which is overflowed in the turbine operation of a hot gas, and a cold side, which is covered in the turbine operation of a cooling fluid, wherein in the turbine blade wall fluid channels are formed, through which the cooling fluid of the cold side can flow to the hot side. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a turbine blade.

Turbinenschaufeln mit Fluidkanälen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt und dienen in Hochleistungsgasturbinen der Umwandlung thermischer Energie in mechanische, insbesondere Rotationsenergie.Turbine blades with fluid channels of the aforementioned type are known in the prior art in various embodiments and are used in high-performance gas turbines, the conversion of thermal energy into mechanical, in particular rotational energy.

In einer Gasturbine wird ein Heißgas, welches zuvor in einem Verdichter komprimiert und in einer Brennkammer erhitzt wurde, zur Arbeitsgewinnung in einer Turbinenstufe entspannt. Für hohe Massenströme des Heißgases und damit hohe Leistungsbereiche ist die Gasturbine in Axialbauweise ausgeführt, wobei die Turbinenstufe mehrere in Durchströmungsrichtung hintereinander liegende Schaufelkränze umfasst. Die Schaufelkränze weisen entlang ihrem Umfang angeordnete Laufschaufeln und Leitschaufeln auf, wobei die Laufschaufeln an einem Rotor der Gasturbine und die Leitschaufeln an einem Gehäuse der Gasturbine befestigt sind. Turbinenschaufeln im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen auch die Schaufelplattformen, von denen die Turbinenschaufeln vorstehen.In a gas turbine, a hot gas, which has previously been compressed in a compressor and heated in a combustion chamber, is expanded to work in a turbine stage. For high mass flows of the hot gas and thus high power ranges, the gas turbine is designed in Axialbauweise, wherein the turbine stage comprises a plurality of successively in the flow direction blade rings. The blade rings have blades and vanes disposed along their circumference, the blades being attached to a rotor of the gas turbine and the vanes being mounted to a housing of the gas turbine. Turbine blades in accordance with the present invention also include the blade platforms from which the turbine blades protrude.

Der thermodynamische Wirkungsgrad von Gasturbinen ist desto höher, je höher die Eintrittstemperatur des Heißgases in die Turbinenstufe ist. Die maximal mögliche Höhe der Eintrittstemperatur des Heißgases ist jedoch durch die thermische Belastbarkeit der Turbinenschaufeln begrenzt. Dementsprechend wird das Ziel verfolgt, Turbinenschaufeln zu schaffen, die auch bei hoher thermischer Belastung eine für den zuverlässigen Dauerbetrieb der Gasturbine ausreichende mechanische Festigkeit und Haltbarkeit besitzen.The thermodynamic efficiency of gas turbines is the higher, the higher the inlet temperature of the hot gas is in the turbine stage. However, the maximum possible height of the inlet temperature of the hot gas is due to the thermal capacity the turbine blades limited. Accordingly, the aim is to provide turbine blades, which have sufficient mechanical strength and durability for reliable continuous operation of the gas turbine, even at high thermal stress.

Hierzu ist es zunächst bekannt, Turbinenschaufeln mit aufwändigen Beschichtungssystemen zu versehen, die zumeist eine auch als Oxidationsschutzschicht wirkende Haftvermittlerschicht und eine Wärmedämmschicht umfassen, wobei letztere insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS-Verfahren) auf die Turbinenschaufeln aufgebracht werden kann.For this purpose, it is initially known to provide turbine blades with complex coating systems, which usually also comprise an adhesion promoter layer which also acts as an oxidation protection layer and a thermal barrier coating, the latter being able to be applied to the turbine blades, in particular by atmospheric plasma spraying (APS process).

Zur weiteren Erhöhung der zulässigen Eintrittstemperatur des Heißgases werden Turbinenschaufeln im Betrieb der Gasturbine aktiv gekühlt. Dabei hat sich die Filmkühlung als sehr wirksame und zuverlässige Methode zur Kühlung von hochbeanspruchten Turbinenschaufeln erwiesen. Bei der Filmkühlung wird Luft aus dem Verdichter abgeleitet und als Kühlfluid auf die Kaltseiten der Turbinenschaufelwände geleitet. Neben einer konvektiven Kühlung des Turbinenschaufelmaterials von der Kaltseite der Turbinenschaufelwand her wird das Kühlfluid zusätzlich durch Fluidkanäle auf die Heißseite der Turbinenschaufelwand geleitet. Dort bildet es einen Film, der entlang der Heißseite der Turbinenschaufelwand strömt und diese kühlt sowie gleichzeitig vor dem überströmenden Heißgas schützt.To further increase the allowable inlet temperature of the hot gas turbine blades are actively cooled during operation of the gas turbine. Film cooling has proven to be a very effective and reliable method for cooling highly stressed turbine blades. In film cooling, air is removed from the compressor and sent as cooling fluid to the cold sides of the turbine blade walls. In addition to convective cooling of the turbine blade material from the cold side of the turbine blade wall, the cooling fluid is additionally directed through fluid passages to the hot side of the turbine blade wall. There it forms a film, which flows along the hot side of the turbine blade wall and cools it and at the same time protects against the overflowing hot gas.

Die Wirkung der Filmkühlung ist desto größer, je vollständiger der Film aus Kühlfluid die Heißseite der Turbinenschaufelwand bedeckt. Eine ideale Filmkühlung könnte daher mit Hilfe einer Schlitzausblasung erreicht werden. Das Vorsehen geeigneter Schlitze in der Turbinenschaufelwand ist jedoch aus strukturellen Gründen nicht realisierbar. Stattdessen werden in erster Linie aufgrund der Fertigbarkeit zylindrische Fluidkanäle oder auch Fluidkanäle mit ovalem Querschnitt in der Turbinenschaufelwand vorgesehen.The effect of film cooling is the greater the more complete the film of cooling fluid covers the hot side of the turbine blade wall. An ideal film cooling could therefore be achieved by means of a Schlitzausblasung. However, the provision of suitable slots in the turbine blade wall is not feasible for structural reasons. Instead, cylindrical fluid channels or also oval cross-section fluid channels are provided in the turbine blade wall primarily due to manufacturability.

Des Weiteren ist bekannt, die Ausströmöffnungen der Fluidkanäle in Annäherung an das Prinzip der Schlitzkühlung diffusorartig aufzuweiten. Hierbei werden die Austrittsöffnungen um einen bestimmten Faktor gegenüber der Querschnittsfläche der Fluidkanäle vergrößert. Dies führt zu einer Auffächerung der Kühlfluidströmung, die abhängig von der Strömungssituation mit einer Absenkung des Strömungsimpulses, niedrigeren Mischungsverlusten und größerer seitlicher Ausdehnung einhergeht. Allgemein gilt, dass derart konturierte Ausströmöffnungen zu einer Erhöhung der Effektivität der Filmkühlung und insbesondere zu einer breiteren Bedeckung der Turbinenschaufelwand durch die Kühlfluidströmung führen.Furthermore, it is known to expand the outflow openings of the fluid channels in a manner similar to that of slot cooling in a diffuser-like manner. In this case, the outlet openings are increased by a specific factor with respect to the cross-sectional area of the fluid channels. This leads to a fanning of the cooling fluid flow, which is accompanied by a reduction of the flow impulse, lower mixing losses and greater lateral expansion, depending on the flow situation. In general, such contoured outflow openings lead to an increase in the effectiveness of the film cooling and in particular to a broader coverage of the turbine blade wall by the cooling fluid flow.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das Kühlfluid nach dem Austritt aus den Fluidkanälen infolge eines störenden Einwirkens des überströmenden Heißgases leicht von der Heißseite der Turbinenschaufelwand ablösen kann. Eine derartige unerwünschte Störung findet insbesondere unmittelbar relativ zu der Strömungsrichtung des Heißgases hinter der Ausströmöffnung durch Einwirkung des Heißgases statt und verringert die Effektivität der Filmkühlung.Investigations have shown that the cooling fluid can easily detach from the hot side of the turbine blade wall after exiting the fluid channels as a result of disturbing action of the overflowing hot gas. Such undesired disturbance takes place, in particular, directly relative to the flow direction of the hot gas behind the outflow opening by the action of the hot gas and reduces the effectiveness of the film cooling.

Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel zu schaffen, die eine effektivere Filmkühlung ermöglicht.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a turbine blade that enables more effective film cooling.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass wenigstens einem Fluidkanal ein Ablenkmittel zugeordnet ist, das an der Heißseite der Turbinenschaufelwand relativ zu einer Strömungsrichtung des Heißgases vor einer Ausströmöffnung des Fluidkanals positioniert ist und von der Turbinenschaufelwand in Form einer Oberflächenerhebung derart vorsteht, dass auf das Ablenkmittel treffendes Heißgas derart abgelenkt wird, dass es die Ausströmöffnung seitlich umströmt und/oder sich von der Turbinenschaufelwand ablöst.This object is inventively achieved in a turbine blade of the type mentioned in that at least one fluid channel is associated with a deflection, which is positioned on the hot side of the turbine blade wall relative to a flow direction of the hot gas in front of an outflow opening of the fluid channel and the turbine blade wall in the form of a surface elevation projecting such that hot gas striking the deflection means is deflected such that it flows laterally around the outflow opening and / or is detached from the turbine blade wall.

Der Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, das die Heißseite der Turbinenschaufelwand überströmende Heißgas dadurch an einer störenden Interaktion mit dem aus der Ausströmöffnung austretenden Kühlfluid zu hindern, dass das Heißgas durch ein Ablenkmittel um die Ausströmöffnung herumgeleitet wird. Dabei bewirkt die Umleitung des Heißgases auch eine Beschleunigung desselben, was eine Verringerung des statischen Drucks insbesondere in der seitlichen Umgebung der Ausströmöffnung zur Folge hat. Dies verbessert die seitliche Ausdehnung der aus der Ausströmöffnung austretenden Kühlfluidströmung, was wiederum mit einer Verlangsamung der Kühlfluidströmung einhergeht, wodurch im Ergebnis die Ablösungsneigung der Kühlfluidströmung von der Heißseite der Turbinenschaufelwand verringert wird.The invention is thus based on the idea of preventing the hot gas flowing over the hot side of the turbine blade wall from interfering with the cooling fluid emerging from the outflow opening, so that the hot gas is guided around the outflow opening by a deflection means. In this case, the diversion of the hot gas also causes an acceleration thereof, which results in a reduction of the static pressure, in particular in the lateral surroundings of the outflow opening. This enhances the lateral expansion of the cooling fluid flow exiting the exhaust port, which in turn accompanies a slowing down of the cooling fluid flow, as a result of which the tendency for separation of the cooling fluid flow from the hot side of the turbine blade wall is reduced.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Ablenkmittel einteilig mit der Turbinenschaufelwand ausgebildet. Diese Realisierung des Ablenkmittels verspricht eine lange Lebensdauer der Turbinenschaufel und kann einfach in das Herstellungsverfahren der Turbinenschaufel integriert werden.According to an embodiment of the present invention, the deflection means is formed integrally with the turbine blade wall. This realization of the deflection means promises a long life of the turbine blade and can be easily integrated into the manufacturing process of the turbine blade.

Alternativ ist das Ablenkmittel durch Schweißen oder Löten an der Turbinenschaufelwand befestigt. Auf diese Weise lässt sich eine Turbinenschaufel auch nachträglich mit Ablenkmitteln versehen. Als Ablenkmittel kommt beispielsweise ein Flachdraht in Betracht, der mit der Heißseite der Turbinenschaufelwand vor dem Aufbringen einer Beschichtung verschweißt oder verlötet wird.Alternatively, the deflection means is secured to the turbine blade wall by welding or brazing. In this way, a turbine blade can also be subsequently provided with deflection means. As a deflection means, for example, a flat wire into consideration, which is welded or soldered to the hot side of the turbine blade wall before applying a coating.

In an sich bekannter Weise ist die Turbinenschaufel mit einem Beschichtungssystem versehen, das die Turbinenschaufelwand und auch das Ablenkmittel überdeckt oder bildet. Ein solches Beschichtungssystem dient dem Hitzeschutz der Turbinenschaufel und umfasst üblicherweise eine Haftvermittlungsschicht und eine Wärmedämmschicht. Insbesondere kann es auch dazu dienen, Kanten und/oder Stufen zwischen dem Ablenkmittel und der Turbinenschaufelwand zu glätten.In a manner known per se, the turbine blade is provided with a coating system which covers or forms the turbine blade wall and also the deflection means. Such a coating system serves for heat protection of the turbine blade and usually comprises an adhesion-promoting layer and a thermal barrier coating. In particular, it may also serve to smooth edges and / or steps between the deflection means and the turbine blade wall.

Bevorzugt ist das Ablenkmittel auf der Anströmseite des Heißgases stromlinienförmig ausgebildet. Mit anderen Worten ist das Ablenkmittel im Längsschnitt nach Art eines flachen Keils ausgebildet, dessen Höhe in der Strömungsrichtung des Heißgases bis zu einer maximalen Höhe zunimmt und dann steil abfällt. Ein derart ausgeformtes Ablenkmittel kann vom Heißgas ohne Bildung von Rückstaus überströmt werden, so dass der mechanische Wirkungsgrad der Turbinenschaufel wenig beeinträchtigt wird.Preferably, the deflection means is streamlined on the upstream side of the hot gas. In other words, the deflection means is formed in a longitudinal section in the manner of a flat wedge whose height increases in the flow direction of the hot gas to a maximum height and then drops steeply. Such a shaped deflection means can be overflowed by the hot gas without formation of backflow, so that the mechanical efficiency of the turbine blade is little affected.

Dabei kann die Höhe des Ablenkmittels im Querschnitt, d.h. quer zu der Strömungsrichtung des Heißgases von einem Mittelbereich zu den Seiten hin abnehmen. Diese Ausgestaltung des Ablenkmittels reduziert die Wirkung des Ablenkmittels für seitlich auf das Ablenkmittel treffendes Heißgas derart, dass dieses desto schwächer abgelenkt wird, je weiter außen das Heißgas auf das Ablenkmittel trifft.In this case, the height of the deflection means in cross-section, i. decrease transversely to the flow direction of the hot gas from a central region to the sides. This embodiment of the deflection means reduces the effect of the deflection means for laterally striking the deflection means hot gas such that this is deflected the weaker the further out the hot gas strikes the deflection means.

Wesentlich ist hierbei, dass das Ablenkmittel auf seiner Abströmseite, d.h. hinter dem Scheitelpunkt, eine steil abfallende Flanke aufweist. Diese muss bezogen auf die Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases derart steil abfallen, dass sich das überströmende Heißgas von dem Ablenkmittel löst und damit den zugeordneten Fluidkanal beabstandet von der Oberfläche der Turbinenschaufelwand überströmt. Damit hat das Kühlfluid die Möglichkeit, aus dem Fluidkanal auszuströmen, ohne sofort in Kontakt mit dem Heißgas zu kommen.It is essential here that the deflection means on its downstream side, i. behind the vertex, has a steep slope. This must fall steeply relative to the flow velocity of the hot gas so that the overflowing hot gas dissolves from the deflection means and thus flows over the associated fluid channel spaced from the surface of the turbine blade wall. Thus, the cooling fluid has the ability to flow out of the fluid channel without immediately coming into contact with the hot gas.

Dabei kann das Ablenkmittel eine Kante aufweisen, an die sich die steil abfallende Flanke anschließt. Die Kante wirkt hierbei als eine Art Abrisskante, an der sich das Heißgas von dem Ablenkmittel löst.In this case, the deflection means may have an edge, which is followed by the steeply sloping edge. The edge acts as a kind of spoiler edge, at which the hot gas is released from the deflection.

Die steil abfallende Flanke des Ablenkmittels kann beispielsweise mit der Turbinenschaufelwand einen rechten Winkel bilden. Kleinere Winkel von beispielsweise 60° oder 70° können auch schon ausreichend für die Flanke oder einen Flankenabschnitt sein.The steeply sloping flank of the deflection means may form a right angle with the turbine blade wall, for example. Smaller angles of, for example 60 ° or 70 ° can also be enough for the flank or a flank section.

Alternativ kann die steil abfallende Flanke des Ablenkmittels eine Hinterschneidung bilden, so dass das Ablenkmittel die Ausströmöffnung wenigstens teilweise überdeckt. In diesem Fall wird das Kühlfluid, welches aus dem Fluidkanal strömt, durch die Hinterschneidung gelenkt.Alternatively, the steeply sloping flank of the deflection means may form an undercut, so that the deflection means at least partially covers the outflow opening. In this case, the cooling fluid flowing out of the fluid passage is directed by the undercut.

Bevorzugt geht die steil abfallende Flanke des Ablenkmittels bündig in einen Wandbereich der Ausströmöffnung über. Ein bündiger Übergang der abfallenden Flanke in den Wandbereich der Ausströmöffnung lässt sich besonders einfach herstellen, indem die Ausströmöffnung in die Oberflächenerhebung abströmseitig wenigstens teilweise eingebracht wird.Preferably, the steeply sloping edge of the deflection means is flush over into a wall region of the outflow opening. A flush transition of the sloping edge in the wall region of the discharge opening can be particularly easily produced by the outflow opening is at least partially introduced downstream in the surface elevation.

Vorteilhaft umgreift das Ablenkmittel die Ausströmöffnung seitlich wenigstens teilweise. Dies fördert die laterale Ausdehnung des Kühlfilms, von dem aus der Ausströmöffnung austretenden Kühlfluid gebildet wird, da das Heißgas die Ausströmöffnung des Fluidkanals seitlich umströmt.Advantageously, the deflection means at least partially surrounds the discharge opening laterally. This promotes the lateral expansion of the cooling film from which cooling fluid emerging from the outflow opening is formed, since the hot gas flows laterally around the outflow opening of the fluid channel.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist einer Mehrzahl von Fluidkanälen jeweils ein Ablenkmittel singulär beispielsweise in der Form eines Dimpels zugeordnet. Dies führt zu einer noppenartigen Oberflächenstruktur der Heißseite der Turbinenschaufelwand. An einem noppenförmigen Ablenkmittel wird das Heißgas besonders effektiv an einer Interaktion mit dem aus der Ausströmöffnung ausströmenden Kühlfluid gehindert, da die Ausströmöffnung auch seitlich vor dem entlang strömenden Heißgas geschützt ist.In one embodiment of the device according to the invention, a plurality of fluid channels each have a deflection means singularly associated, for example, in the form of a dimple. This leads to a knob-like surface structure of the hot side of the turbine blade wall. At a nub-shaped deflection means, the hot gas is particularly effectively prevented from interacting with the cooling fluid flowing out of the outflow opening, since the outflow opening is also protected laterally from the hot gas flowing along.

Alternativ oder zusätzlich kann einer Mehrzahl von Fluidkanälen ein Ablenkmittel gemeinsam zugeordnet sein, wobei das Ablenkmittel eine längliche Gestalt besitzt und quer zu der Strömungsrichtung des Heißgases angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich mehrere nebeneinander liegende Ausströmöffnungen mit einem einzigen Ablenkmittel versehen.Alternatively or additionally, a plurality of fluid channels may be assigned a deflection means in common, wherein the deflection means has an elongate shape and is arranged transversely to the flow direction of the hot gas. In this way, a plurality of juxtaposed outflow openings can be provided with a single deflection means.

In an sich bekannter Weise kann der Fluidkanal im Bereich der Ausströmöffnung zylindrisch ausgebildet oder diffusorartig aufgeweitet sein. Die zylindrische Form der Ausströmöffnung ist durch Bohren einfach herstellbar, führt jedoch kaum zu einer seitlichen Aufweitung des Kühlfluidfilms. Die diffusorartige Aufweitung ist aufwändiger herzustellen, bewirkt aber eine größere seitliche Ausdehnung des Kühlfluidfilms.In a manner known per se, the fluid channel can be cylindrical in the region of the outflow opening or expanded in a diffuser-like manner. The cylindrical shape of the discharge opening is easy to produce by drilling, but hardly leads to a lateral expansion of the cooling fluid film. The diffuser-like expansion is more complicated to produce, but causes a larger lateral extent of the cooling fluid film.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:

die Turbinenschaufel mit einer Turbinenschaufelwand, die eine Heißseite, welche im Turbinenbetrieb von einem Heißgas überströmt wird, und eine Kaltseite, die im Turbinenbetrieb von einem Kühlfluid überströmt wird, umfasst, wird bereitgestellt;
auf die Heißseite der Turbinenschaufelwand wird ein Beschichtungssystem mit einer Haftvermittlerschicht und einer Wärmedämmschicht aufgebracht;
wenigstens ein Fluidkanal, insbesondere eine Mehrzahl von Fluidkanälen mit einer Ausströmöffnung wird an einer definierten Position in die Turbinenschaufelwand und das Beschichtungssystem eingebracht, insbesondere gebohrt, um die Heißseite und die Kaltseite fluidtechnisch derart zu verbinden, dass ein Kühlfluid von der Kaltseite zur Heißseite der Turbinenschaufelwand strömen kann;

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

die Turbinenschaufelwand wird mit wenigstens einer Oberflächenerhebung versehen, die von der Heißseite vorsteht und relativ zu einer Strömungsrichtung des Heißgases derart positioniert ist, dass ihre Grundfläche zum Teil vor der Ausströmöffnung eines zugeordneten Fluidkanals liegt und zum Teil die Ausströmöffnung wenigstens an deren Anströmseite überlagert, so dass beim Einbringen des Fluidkanals in die Turbinenschaufelwand die Oberflächenerhebung unter Bildung eines Ablenkmittels an ihrer Abströmseite von dem Fluidkanal durchsetzt und mit einer steil abfallenden Flanke versehen wird, die sich an eine insbesondere Kante anschließt.

Furthermore, the present invention provides a method of manufacturing a turbine blade according to any one of the preceding claims, comprising the steps of:

the turbine blade is provided with a turbine blade wall comprising a hot side overflowed by a hot gas in turbine operation and a cold side overflowed by a cooling fluid in turbine operation;
on the hot side of the turbine blade wall, a coating system with a primer layer and a thermal barrier coating is applied;
at least one fluid channel, in particular a plurality of fluid channels with an outflow opening is introduced at a defined position in the turbine blade wall and the coating system, in particular drilled to fluidly connect the hot side and the cold side such that a cooling fluid flow from the cold side to the hot side of the turbine blade wall can;

characterized by the following steps:

the turbine blade wall is provided with at least one surface protrusion protruding from the hot side and positioned relative to a flow direction of the hot gas such that its base partially lies in front of the outflow opening of an associated fluid channel and partially overlies the outflow opening at least on the upstream side thereof upon introduction of the fluid channel into the turbine blade wall, the surface elevation forming a deflection means on its downstream side from the fluid channel interspersed and provided with a steep edge, which adjoins a particular edge.

Beispielsweise kann die steil abfallende Flanke derart ausformt, dass sie mit der Turbinenschaufelwand einen rechten Winkel bildet und/oder die Ausströmöffnung des Fluidkanals durch Bilden einer Hinterschneidung wenigstens teilweise überdeckt.For example, the steeply sloping flank can be shaped such that it forms a right angle with the turbine blade wall and / or at least partially covers the outflow opening of the fluid channel by forming an undercut.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Turbinenschaufeln unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich.Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of various embodiments of turbine blades according to the invention with reference to the accompanying drawings.

Darin zeigt

Figur 1: eine schematische, seitliche Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Turbinenschaufelwand gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2: eine Draufsicht der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufelwand;
Figur 3: eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Turbinenschaufelwand gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4: eine Draufsicht der in Figur 3 dargestellten Turbinenschaufelwand.

It shows

FIG. 1: a schematic, side cross-sectional view of a portion of a turbine blade wall according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2: a top view of the FIG. 1 illustrated turbine blade wall;
FIG. 3: a schematic side cross-sectional view of a portion of a turbine blade wall according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 4: a top view of the FIG. 3 shown turbine blade wall.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Ausschnitt einer Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Turbinenschaufel umfasst eine Turbinenschaufelwand 1 mit einer Heißseite 2 und einer Kaltseite 3. In dem dargestellten Ausschnitt der Turbinenschaufelwand 1 ist ein zylindrischer oder ovaler Fluidkanal 4 ausgebildet, der sich von der Kaltseite 3 zu der Heißseite 2 erstreckt und an der Heißseite 2 eine diffusorartig aufgeweitete Ausströmöffnung 5 aufweist.The Figures 1 and 2 show a section of a turbine blade according to a first embodiment of the present invention. The turbine blade comprises a turbine blade wall 1 with a hot side 2 and a cold side 3. In the illustrated section of the turbine blade wall 1, a cylindrical or oval fluid channel 4 is formed which extends extends from the cold side 3 to the hot side 2 and on the hot side 2 has a diffuser-like expanded outflow opening 5.

Dem Fluidkanal 4 ist ein Ablenkmittel 6 singulär zugeordnet, das relativ zu einer Strömungsrichtung des Heißgases stromauf, d.h. vor der Ausströmöffnung 5 positioniert ist. Das Ablenkmittel 6 steht von der Heißseite 2 der Turbinenschaufelwand 1 in Form einer im Wesentlichen noppenförmigen oder dimpelförmige Oberflächenerhebung vor.The fluid channel 4 is singularly associated with a deflection means 6 which is upstream relative to a flow direction of the hot gas, i. is positioned in front of the outflow opening 5. The deflection means 6 projects from the hot side 2 of the turbine blade wall 1 in the form of a substantially knob-shaped or dimple-shaped surface elevation.

Das Ablenkmittel 6 ist einteilig mit der Turbinenschaufelwand 1 ausgebildet und von einem Beschichtungssystem 7, 8 überdeckt, das an der Heißseite 2 der Turbinenschaufelwand 1 vorgesehen ist und eine Haftvermittlerschicht 7 sowie eine Wärmedämmschicht 8 umfasst.The deflection means 6 is formed integrally with the turbine blade wall 1 and covered by a coating system 7, 8 which is provided on the hot side 2 of the turbine blade wall 1 and comprises a bonding agent layer 7 and a thermal barrier coating 8.

Auf seiner Anströmseite ist das Ablenkmittel 6 stromlinienförmig, d.h. im Längsschnitt nach Art eines flachen Keils ausgebildet, dessen Höhe in der Strömungsrichtung des Heißgases bis zu einer maximalen Höhe zunimmt und dann steil abfällt. Quer zur Strömungsrichtung des Heißgases nimmt die Höhe des Ablenkmittels 6 von seinem Mittelbereich zu beiden Seiten hin ab.On its upstream side, the deflection means 6 is streamlined, i. formed in the longitudinal section in the manner of a flat wedge whose height increases in the flow direction of the hot gas to a maximum height and then drops steeply. Transverse to the flow direction of the hot gas, the height of the deflection means 6 decreases from its central region to both sides.

Im Bereich seiner maximalen Höhe weist das Ablenkmittel 6 eine Kante 9 auf, an die sich auf der Abströmseite eine steil abfallende Flanke 10 anschließt. Die steil abfallende Flanke 10 bildet hier eine Hinterschneidung, so dass das Ablenkmittel 6 die Ausströmöffnung 5 des Fluidkanals 4 teilweise überdeckt. Dabei geht die abfallende Flanke 10 bündig in einen Wandbereich des Fluidkanals 4 über. Zudem umgreift das Ablenkmittel 6 die Ausströmöffnung 5 seitlich teilweise.In the region of its maximum height, the deflection means 6 has an edge 9, to which a steeply sloping flank 10 adjoins on the outflow side. The steeply sloping flank 10 here forms an undercut, so that the deflection means 6 partially covers the outflow opening 5 of the fluid channel 4. The falling edge 10 is flush over into a wall region of the fluid channel 4. In addition, the deflection means 6 surrounds the discharge opening 5 laterally partially.

Diese erfindungsgemäße Turbinenschaufel lässt sich herstellen, indem zunächst an der Turbinenschaufelwand 1 Oberflächenerhebungen vorgesehen werden, die einteilig mit der Turbinenschaufelwand 1 ausgebildet sind und von deren Heißseite 2 vorstehen. Relativ zu der Strömungsrichtung des Heißgases wird dabei jede dimpelartige Oberflächenerhebung derart positioniert, dass sie zum Teil vor der Ausströmöffnung 5 des einzubringenden zugeordneten Fluidkanals 4 liegt und zum Teil den Bereich der Ausströmöffnung 5 des herzustellenden Fluidkanals 4 wenigstens an deren Anströmseite teilweise überlagert. Dann wird das Beschichtungssystem (7; 8) mit einer Haftvermittlerschicht 7 und einer Wärmedämmschicht 8 auf die Heißseite 2 der Turbinenschaufelwand 1 aufgebracht. Anschließend werden die Fluidkanäle 4 in die Turbinenschaufelwand 1 eingebracht, insbesondere gebohrt. Dabei werden die Oberflächenerhebungen unter Bildung von Ablenkmitteln 6 an ihrer Abströmseite von den Fluidkanälen 4 durchsetzt und mit steil abfallenden Flanken 10 versehen. Die steil abfallenden Flanken 10 bilden Hinterschneidungen, so dass die Ablenkmittel 6 die Ausströmöffnungen 5 der jeweils zugeordneten Fluidkanäle 4 teilweise überdecken. Die Fluidkanäle 4 werden ferner derart in die Turbinenschaufelwand 1 eingebracht, dass Kanten 9 entstehen, an die sich die steil abfallenden Flanken 10 abströmseitig anschließen. Dabei gehen die steil abfallenden Flanken 10 bündig in Wandbereiche der Ausströmöffnungen 5 der Fluidkanäle 4 über. Weiterhin bleiben beim Einbringen der Fluidkanäle 4 abströmseitig seitliche Randbereiche der Oberflächenerhebungen stehen, so dass die resultierenden Ablenkmittel 6 die Ausströmöffnungen 5 der zugeordneten Fluidkanäle 4 jeweils teilweise umgreifen.This turbine blade according to the invention can be produced by first of all surface elevations being provided on the turbine blade wall 1, which are formed integrally with the turbine blade wall 1 and of the hot side thereof 2 protrude. Relative to the flow direction of the hot gas, each dimpled surface elevation is thereby positioned such that it lies partially in front of the outflow opening 5 of the associated fluid channel 4 to be introduced and partly partially overlaps the region of the outflow opening 5 of the fluid channel 4 to be produced at least at its inflow side. Then the coating system (7, 8) with a bonding agent layer 7 and a thermal barrier coating 8 is applied to the hot side 2 of the turbine blade wall 1. Subsequently, the fluid channels 4 are introduced into the turbine blade wall 1, in particular drilled. In this case, the surface elevations are penetrated by forming the formation of deflection means 6 on its downstream side of the fluid channels 4 and provided with steeply sloping flanks 10. The steeply sloping flanks 10 form undercuts, so that the deflection means 6 partially cover the outflow openings 5 of the respective associated fluid channels 4. The fluid channels 4 are further introduced into the turbine blade wall 1 such that edges 9 are formed, to which the steeply sloping flanks 10 connect downstream. The steeply sloping flanks 10 are flush over into wall regions of the outflow openings 5 of the fluid channels 4. Furthermore, when the fluid channels 4 are introduced, lateral edge regions of the surface elevations remain on the outflow side, so that the resulting deflection means 6 partially surround the outflow openings 5 of the associated fluid channels 4 in each case.

Im Turbinenbetrieb wird die Heißseite 2 der Turbinenschaufelwand 1 von einem Heißgas überströmt, während die Kaltseite 3 von einem Kühlfluid überströmt wird. Durch einen Fluidkanal 4 strömt das Kühlfluid von der Kaltseite 3 zur Heißseite 2 und tritt dort aus der diffusorartig aufgeweiteten Ausströmöffnung 5 des Fluidkanals 4 unter Bildung eines lateral ausgedehnten Kühlfilms aus.In turbine operation, the hot side 2 of the turbine blade wall 1 is overflowed by a hot gas, while the cold side 3 is overflowed by a cooling fluid. Through a fluid channel 4, the cooling fluid flows from the cold side 3 to the hot side 2 and exits there from the diffuser-like expanded outflow opening 5 of the fluid channel 4 to form a laterally extended cooling film.

Durch das stromauf vor der Ausströmöffnung 5 positionierte Ablenkmittel 6 wird das die Heißseite 2 überströmende Heißgas vor der Ausströmöffnung 5 abgelenkt.By means of the deflection means 6 positioned upstream of the outflow opening 5, the hot gas flowing over the hot side 2 is deflected in front of the outflow opening 5.

Aufgrund der Stromlinienform des Ablenkmittels 6 wird eine Wirbelbildung im überströmenden Heißgas weitgehend vermieden.Due to the streamline shape of the deflection means 6, a vortex formation in the overflowing hot gas is largely avoided.

Die Kante 9 bildet eine Art Abrisskante, an der sich das Heißgas von dem Ablenkmittel 6 ablöst, um die Ausströmöffnung 5 beabstandet von der Oberfläche der Turbinenschaufelwand 1 zu überströmen. Die teilweise Überdeckung der Ausströmöffnung 5 durch die steil abfallende, hinterschnittene Flanke 10 des Ablenkmittels 6 verhindert wirksam eine störende Interaktion des Heißgases mit dem Kühlfilm. Zudem wird das aus der Ausströmöffnung 5 austretende Kühlfluid durch die teilweise Überdeckung in die Strömungsrichtung des Heißgases gelenkt.The edge 9 forms a kind of trailing edge at which the hot gas separates from the deflection means 6 in order to flow over the discharge opening 5 at a distance from the surface of the turbine blade wall 1. The partial overlap of the outflow opening 5 through the steeply sloping, undercut flank 10 of the deflection means 6 effectively prevents a disturbing interaction of the hot gas with the cooling film. In addition, the cooling fluid emerging from the outflow opening 5 is directed by the partial covering in the flow direction of the hot gas.

In den seitlichen Randbereichen des Ablenkmittels 6 erfolgt die Ablenkung des Heißgases vorwiegend in seitliche Richtung, so dass das dort anströmende Heißgas die stromab hinter dem Ablenkmittel 6 liegende Ausströmöffnung 5 zu beiden Seiten umströmt und von den seitlichen Umgriffen des Ablenkmittels 6 an einer störenden Interaktion mit dem Kühlfilm gehindert wird.In the lateral edge regions of the deflection means 6, the deflection of the hot gas takes place predominantly in the lateral direction, so that there flowing hot gas flowing downstream of the deflection means 6 outflow opening 5 flows around to both sides and from the lateral embraces of the deflection 6 at a disturbing interaction with the Cooling film is prevented.

Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Ausschnitt einer Turbinenschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Turbinenschaufelwand 1 mit einer Heißseite 2 und einer Kaltseite 3 umfasst. In dem dargestellten Ausschnitt der Turbinenschaufelwand 1 ist ein zylindrischer oder ovaler Fluidkanal 4 ausgebildet, der sich von der Kaltseite 3 zu der Heißseite 2 erstreckt und an der Heißseite 2 eine diffusorartig aufgeweitete Ausströmöffnung 5 aufweist.The FIGS. 3 and 4 show a section of a turbine blade according to a second embodiment of the present invention, which comprises a turbine blade wall 1 with a hot side 2 and a cold side 3. In the illustrated section of the turbine blade wall 1, a cylindrical or oval fluid channel 4 is formed, which extends from the cold side 3 to the hot side 2 and on the hot side 2 has a diffuser-like expanded outflow opening 5.

Dem Fluidkanal 4 ist ein Ablenkmittel 11 zugeordnet, das relativ zu einer Strömungsrichtung des Heißgases stromauf, d.h. vor der Ausströmöffnung 5 positioniert ist. Das Ablenkmittel 11 steht von der Heißseite 2 der Turbinenschaufelwand 1 in Form einer Oberflächenerhebung vor.The fluid channel 4 is associated with a deflection means 11 which is upstream relative to a flow direction of the hot gas, that is positioned in front of the outflow opening 5. The deflection means 11 protrudes from the hot side 2 of the turbine blade wall 1 in the form of a surface elevation.

In dieser Ausgestaltung ist das Ablenkmittel 11 als Flachdraht ausgeführt, der relativ zur Strömungsrichtung des Heißgases stromauf von, d.h. vor der Ausströmöffnung 5 des Fluidkanals 4 quer zur Strömungsrichtung des Heißgases auf die Turbinenschaufelwand 1 aufgelötet oder aufgeschweißt ist.In this embodiment, the deflecting means 11 is designed as a flat wire, which is upstream of, i. E., Relative to the flow direction of the hot gas. is soldered or welded transversely to the flow direction of the hot gas to the turbine blade wall 1 before the outflow opening 5 of the fluid channel 4.

Durch die Beschichtung mit einer Haftvermittlerschicht 7 und einer Wärmedämmschicht 8 wird ein zunächst stufenförmiger Übergangsbereich zwischen der Turbinenschaufelwand 1 und dem Ablenkmittel 11 auf dessen Anströmseite stromlinienförmig geglättet. Das Einbringen des zugeordneten Fluidkanals 4 erfolgt derart, dass ein Ablenkmittel 11 mit einer Kante 9 entsteht, an die sich abströmseitig eine steil abfallende Flanke 10 anschließt, die mit der Turbinenschaufelwand 1 einen rechten Winkel bildet und bündig in einen Wandbereich des zugeordneten Fluidkanals 4 übergeht.By coating with a bonding agent layer 7 and a thermal barrier coating 8, an initially stepped transition region between the turbine blade wall 1 and the deflection means 11 is smoothed streamlined on the upstream side. The introduction of the associated fluid channel 4 takes place in such a way that a deflection means 11 is formed with an edge 9, to which a steeply sloping flank 10 adjoins, which forms a right angle with the turbine blade wall 1 and merges flush into a wall region of the associated fluid channel 4.

Bei entsprechender Länge des verwendeten Flachdrahts kann das Ablenkmittel 11 auch mehreren nebeneinanderliegenden Fluidkanälen 4 gemeinsam zugeordnet sein.With an appropriate length of the flat wire used, the deflection means 11 may also be associated with several adjacent fluid channels 4 together.

Im Turbinenbetrieb löst sich das überströmende Heißgas an der Kante 9 von dem Ablenkmittel 6 ab und überströmt die Ausströmöffnung 5 des zugeordneten Fluidkanals 4 beabstandet. Infolgedessen kann das Kühlfluid weitgehend unbeeinflusst von dem Heißgas aus der diffusorartig aufgeweiteten Ausströmöffnung 5 auf die Heißseite 2 der Turbinenschaufelwand 1 gelangen und dort einen lateral ausgedehnten Kühlfilm bilden.In turbine operation, the overflowing hot gas dissolves at the edge 9 of the deflection means 6 and flows over the outflow opening 5 of the associated fluid channel 4 spaced. As a result, the cooling fluid can reach the hot side 2 of the turbine blade wall 1 largely uninfluenced by the hot gas from the diffuser-like expanded outflow opening 5 and form a laterally extended cooling film there.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Turbine blade with a turbine blade wall (1), which has a hot side (2), which is overflowed in the turbine operation of a hot gas, and a cold side (3), which is overflowed in the turbine operation of a cooling fluid,
wherein in the turbine blade wall (1) fluid channels (4) are formed through which the cooling fluid from the cold side (3) to the hot side (2) can flow,
characterized in that
at least one fluid channel (4) is associated with a deflecting means (6; 11) positioned on the hot side of the turbine blade wall relative to a flow direction of the hot gas upstream of an exhaust port (5) of the fluid channel (4) and in shape from the turbine blade wall (1) projecting a surface elevation in such a way that hot gas striking the deflecting means (6; 11) is deflected in such a way that it laterally flows around the outflow opening (5) and / or separates from the turbine blade wall (1).

Turbine blade according to claim 1,
characterized,
that the deflection means (6; 11) integral with the turbine blade wall (1) is formed.

Turbine blade according to claim 1,
characterized in that
the deflecting means (6; 11) is fixed to the turbine blade wall (1) by welding or brazing.

Turbine blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the deflection means (6; 11) is covered or formed by a coating system (7; 8) provided on the hot side (2) of the turbine blade wall (1).

Turbine blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the deflection means (6; 11) is streamlined on the upstream side.

Turbine blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the height of the deflection means (6, 11) decreases transversely to the flow direction of the hot gas from a central region to the sides.

Turbine blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the deflection means (6; 11) has a steeply sloping flank (10) on its downstream side.

Turbine blade according to claim 7,
characterized in that
the deflecting means (6; 11) has an edge (9) adjoined by the steeply sloping flank (10).

Turbine blade according to one of claims 7 or 8,
characterized in that
the steeply sloping flank (10) of the deflecting means (6; 11) forms a substantially right angle with the turbine blade wall (1) or that the steeply sloping flank (10) of the deflecting means (6; 11) forms an undercut such that the deflecting means (6; 11) at least partially covers the outflow opening (5).

Turbine blade according to one of claims 7 to 9,
characterized in that
the steeply sloping flank (10) of the deflecting means (6; 11) merges flush into a wall region of the outflow opening (5).

Turbine blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the deflection means (6, 11) laterally surrounds the discharge opening (5) at least partially.

Turbine blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
a plurality of fluid channels (4) each having a deflection means (6, 11) is assigned singular.

Turbine blade according to one of claims 1 to 11,
characterized in that
a plurality of fluid channels (4) a deflection means (6; 11) is assigned together, in particular has an elongated shape and is arranged transversely to the flow direction of the hot gas.

Turbine blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the outflow opening (5) of the fluid channel (4) is cylindrical or expanded in a diffuser-like manner.

Method for producing a turbine blade according to one of the preceding claims, comprising the steps: the turbine blade is provided with a turbine blade wall (1) comprising a hot side (2) overflowed by a hot gas during turbine operation and a cold side (3) overflowed by a cooling fluid during turbine operation;

- on the hot side (2) of the turbine blade wall (1), a coating system (7; 8) with a bonding agent layer (7) and a thermal barrier coating (8) is applied;

- At least one fluid channel (4), in particular a plurality of fluid channels (4) with an outflow opening (5) is introduced at a defined position in the turbine blade wall (1) and the coating system (7, 8), in particular drilled to the hot side ( 2) and the cold side (3) fluidly connect such that a cooling fluid from the cold side (3) to the hot side (2) of the turbine blade wall (1) can flow;

characterized by the following steps: - The turbine blade wall (1) is provided with at least one surface protrusion projecting from the hot side (2) and is positioned relative to a flow direction of the hot gas such that its base lies partially in front of the outflow opening (5) of an associated fluid channel (4) and partly the discharge opening (5) superimposed on at least on its inflow side, so that upon introduction of the fluid channel (4) into the turbine blade wall (1) the surface elevation passes through the fluid channel (4) to form a deflection means on its downstream side and with a steeply sloping Flank (10) is provided, which adjoins an edge (9).

Method according to claim 15,
characterized in that
the steeply sloping flank (10) is shaped such that it forms a right angle with the turbine blade wall (1) and / or at least partially covers the outflow opening (5) of the fluid channel (4) by forming an undercut.