EP3147455A1 - Turbine vane with a throttling arrangement - Google Patents

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EP3147455A1
EP3147455A1 EP15186366.9A EP15186366A EP3147455A1 EP 3147455 A1 EP3147455 A1 EP 3147455A1 EP 15186366 A EP15186366 A EP 15186366A EP 3147455 A1 EP3147455 A1 EP 3147455A1
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EP
European Patent Office
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throttle
turbine vane
turbine
coolant
vane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15186366.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Mario Nitsche
Martin Williams
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP15186366.9A priority Critical patent/EP3147455A1/en
Publication of EP3147455A1 publication Critical patent/EP3147455A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic

Definitions

  • the invention relates to a turbine guide vane with an aerodynamically curved airfoil, which has a equipped with a throttle element channel system for guiding coolant.
  • Such blades of a gas turbine are known in the art in a variety of ways.
  • the WO 01/36790 A1 the throttling of the cooling air consumption of a turbine blade by means of a plug, which is introduced at a reversal point of the cooling channel from the outside into the turbine guide vane.
  • the flow-through cross section of the reversal point and thus the flow rate of cooling air can be easily adjusted to predetermined dimensions.
  • dimensional differences which are present due to the casting process, can be compensated with the aid of the plug, whereby an excessive consumption of cooling air can be avoided.
  • the object of the invention is to provide an alternative turbine vane, in which despite a present at the deflection point opening for leading coolant out of the turbine blade throttling is easy and inexpensive possible.
  • a turbine vane with an aerodynamically curved airfoil which comprises a suction-side side wall and a pressure-side side wall and between which at least two channel sections comprehensive channel system of the airfoil blade is arranged to guide coolant, wherein the channel sections arranged substantially parallel to each other and via a Throttle having deflecting region are connected to each other and wherein in the deflection an opening is arranged, through which a part of the flowing in the deflection coolant can be carried out of the blade, provided that the throttle device comprises a number of throttle elements, of which at least one, preferably all with only one of the two side walls is connected.
  • the turbine guide vane is usually a cast component, which is designed largely or completely monolithically.
  • the turbine vane may include a foot region and a head region for attachment. Both areas are arranged on both sides of the airfoil.
  • the root portion of the turbine vane serves to secure the turbine vane to an annular vane carrier. From the foot extends radially inward the blade, at the inner end, the head area connects.
  • two approximately parallel duct sections are fluidly connected to one another via the deflecting region arranged on the foot or head side, and the respective throttling elements project transversely into the deflecting region with respect to the local throughflow direction of the coolant.
  • the two approximately parallel to each other and elongated in their shape channel sections are separated by a partition wall. The latter ends at the deflection area.
  • Foot area and head area may each include a so-called platform for local, radial limitation of the hot gas channel of the gas turbine.
  • On the side facing away from the hot gas channel side of the inner platform hooks may be provided, which are part of the head area and on which usually a so-called U-ring can be attached.
  • the turbine vanes or turbine vane segments of a vane ring of the gas turbine are coupled together. Since these U-rings may need to be cooled and the gaps formed by these components with the rotor must be blocked against ingress of hot gas, it is particularly advantageous if the usually guided by the turbine vane coolant at the head end of the turbine vane by another Outlet emerge and can be used there hub side.
  • the invention is also based on the finding that additional thermal stresses can be avoided in the turbine vane, if the respective throttle elements, if they are made directly with the casting of the turbine vane, are connected to only one of the two side walls.
  • each such throttle element would change the mechanical integrity of the turbine vane unintentionally.
  • the production of the throttle device according to the invention is comparatively simple, since Usually turbine guide vanes are produced in the casting process and the throttle elements must therefore be considered solely in the casting core of the casting apparatus.
  • the respective throttle element is pin-shaped.
  • a simple geometry of the throttle elements can be provided.
  • existing casting cores can be converted or produced comparatively easily by drilling holes which represent the negative form of the pin shape.
  • the respective throttle element on a 90 ° to the inner surface of the side wall to which it is attached deviating inclination, which is preferably oriented so that it is directed opposite to a coolant flow direction. This makes it possible to achieve a particularly good throttling effect.
  • two or more throttle elements are arranged successively in the coolant flow direction, which have a greater throttle effect with the downstream position.
  • the cross-sectional area of the throttle elements arranged further downstream increases in the order of magnitude of 30% to 70%, compared to the throttle elements disposed immediately upstream therefrom.
  • the respective throttle element has a height extending from its fastening side end to the free end, which corresponds to at least 30% of the local distance of the inner surfaces of the side walls.
  • the throttle elements differ from possibly located there turbulators or internals, of which the latter are often intended to cause a low-loss deflection of the coolant flowing there. Next can be adjusted just as easily with a corresponding height, the throttle effect.
  • the deflection region taking into account the throttle device has a local minimum cross section, wherein at this point a theoretical maximum cross section can be determined by ignoring the throttle device, wherein the minimum cross section is smaller than 50% of the theoretical maximum cross section.
  • the opening is dimensioned such that at least a partial removal of at least one of the throttle elements is possible by this at least.
  • This configuration makes it possible, if necessary, for parts of the co-molded throttle device to be removed again if it turns out that due to casting tolerances the throttling effect of the throttle device is greater than specified.
  • the partial removal of the throttle elements or throttling device reduces the throttling effect, so that a turbine vane not conforming to specification after casting due to insufficient cooling can still be used after said removal. This reduces the reject rate in the manufacture of turbine vanes.
  • the throttle element is arranged in that region which is opposite to the feed.
  • a turbine nozzle 10 for a stationary gas turbine is in FIG. 1 shown in perspective.
  • the turbine vane 10 includes a foot region 12, an aerodynamically curved airfoil 14, and a head region 16 that follow one another along a longitudinal axis 18.
  • the foot region 12 is located radially outward and the head region 16 is located radially inwards.
  • Both foot region 12 and head region 16 each include a platform 20 which forms the local, radial boundary of the annular hot gas path of the gas turbine in the region of the respective turbine guide vane 10.
  • the airfoil 14 extends through the annular hot gas channel 22.
  • Both foot region 12 and head region 16 have on their sides facing away from the hot gas channel 22 a plurality of hooks 24 for attachment.
  • hooks 24 are used to attach the turbine vane 10 to an annular turbine vane carrier, not shown.
  • the hooks located in the head region 16 serve for fastening a so-called U-ring, which is also not shown here.
  • U-ring which is also not shown here.
  • the airfoil 14 comprises a front edge 17 and a trailing edge 19, between which a pressure-side and a suction-side airfoil wall 40, 42 (FIGS. FIG. 2 ).
  • This in FIG. 1 shown blade 14 is not completely perspective, but partially shown in longitudinal section.
  • the channel sections 26 of a channel system 28 present in the interior of the blade 14 are shown.
  • the channel system 28 is disposed with the channel portions 26 between the two side walls 40, 42 of the airfoil 14.
  • the channel system 28 is configured to guide coolant 43, which can be fed to the turbine guide vane 10 via an opening 30 arranged on the foot side.
  • three parallel juxtaposed, elongated channel sections 26 are provided, two of which are largely separated by a rib 36 from each other and fluidly connected to each other at the head end region via a deflection region 30.
  • the turbine guide vane 10 has a further opening 31.
  • a throttle device 32 is provided in the deflection region 30, . It comprises one according to this embodiment six ( FIG. 2 ) pin-shaped throttle elements 33, of which in FIG. 1 only three are shown. The three illustrated throttle elements 33 are attached to the side wall shown and protrude freely ending in the deflection: they are not connected to the opposite side wall (not shown).
  • the six throttle elements 33 are arranged in a grid pattern in two rows of three throttle elements 33 each. Other patterns for the throttling elements 33 and other numbers of throttling elements 33 are conceivable. With respect to the flow direction of the coolant 43, the upstream-side throttle elements 33 have a smaller cross-section than those arranged downstream thereof.
  • FIG. 2 shows the turbine vane 10 according to the section II-II FIG. 1 with the head portion 16 and the hooks 24 arranged thereon in a perspective view.
  • the throttling device 32 is shown in perspective and comprises the six throttle elements 33. These are inclined relative to the inner surface of the side walls 40, 42, that they are directed against the incoming coolant flow.
  • the pin-shaped throttle elements 33 have a height which corresponds to 60% of the distance A of the two inner surfaces of the side walls 40, 42. For this reason, the throttle elements 33 of the one side wall are offset relative to each other with respect to the throttle elements 33 of the other side wall, they are arranged in a toothed arrangement and overlap.
  • the coolant 43 mostly cooling air, arriving from the duct section 26a is also divided into two partial flows because of the throttle device 32: a first part is led out of the airfoil 14 and thus out of the turbine vane 10 through the further opening 31. There, the coolant 43 can be used on the hub side for cooling the components located there or for blocking gaps against hot gas intake. The remaining part of the coolant 43 flows into the channel section 26 b and initially remains in the turbine guide vane 10.
  • the invention relates to a turbine vane 10 with an aerodynamically curved airfoil 14, which has a equipped with a throttle element 32 channel system 28 for guiding coolant.
  • the throttle device 32 comprises a number of throttle elements 33, of which at least one, preferably all with only one of the two side walls 40, 42 is connected.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel (10) mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (14), welches ein mit einem Drosselelement (32) ausgestattetes Kanalsystem (28) zur Führung von Kühlmittel aufweist. Um eine alternative Turbinenleitschaufel (10) bereitzustellen, bei der sowohl ein im Inneren strömender Kühlmittelteilstrom als auch ein aus der Turbinenleitschaufel (10) wieder herausgeführter Kühlmittelteilstrom einstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Drosseleinrichtung (32) eine Anzahl von Drosselelementen (33) umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit nur einer der beiden Seitenwände (40, 42) verbunden ist.The invention relates to a turbine guide vane (10) with an aerodynamically curved airfoil (14) which has a duct system (28) equipped with a throttle element (32) for guiding coolant. In order to provide an alternative turbine vane (10) in which both an internally flowing coolant sub-stream and a coolant sub-stream recirculated from the turbine vane (10) are adjustable, it is proposed that the throttle device (32) comprise a number of throttle elements (33), of which at least one, preferably all with only one of the two side walls (40, 42) is connected.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, welches ein mit einem Drosselelement ausgestattetes Kanalsystem zur Führung von Kühlmittel aufweist.The invention relates to a turbine guide vane with an aerodynamically curved airfoil, which has a equipped with a throttle element channel system for guiding coolant.

Derartige Schaufel einer Gasturbine sind im Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise offenbart die WO 01/36790 A1 die Drosselung des Kühlluftverbrauchs einer Turbinenschaufel mit Hilfe eines Stopfens, der an einer Umkehrstelle des Kühlkanals von außen in die Turbinenleitschaufel eingebracht wird. In Abhängigkeit der Eindringtiefe des Stopfens lässt sich der durchströmbare Querschnitt der Umkehrstelle und somit die Durchflussmenge an Kühlluft in vorbestimmten Maße einfach einstellen. Hierdurch können Maßdifferenzen, die aufgrund des Gießprozesses vorhanden sind, mit Hilfe des Stopfens kompensiert werden, wodurch ein übermäßiger Verbrauch an Kühlluft vermieden werden kann.Such blades of a gas turbine are known in the art in a variety of ways. For example, the WO 01/36790 A1 the throttling of the cooling air consumption of a turbine blade by means of a plug, which is introduced at a reversal point of the cooling channel from the outside into the turbine guide vane. Depending on the penetration depth of the plug, the flow-through cross section of the reversal point and thus the flow rate of cooling air can be easily adjusted to predetermined dimensions. As a result, dimensional differences, which are present due to the casting process, can be compensated with the aid of the plug, whereby an excessive consumption of cooling air can be avoided.

Weiter ist aus der WO 2009/118245 A1 eine Turbinenschaufel mit einer Drosselvorrichtung bekannt, welche stromab der Umkehrstelle angeordnet und als ein in den Kühlkanal quer hineinragender gegossener Steg ausgebildet ist. In diesem Fall ist jedoch die Größe der Drosselwirkung nach dem Gießen der Turbinenschaufel nicht mehr einstellbar.Next is from the WO 2009/118245 A1 a turbine blade with a throttle device known, which is arranged downstream of the reversal point and formed as a transversely projecting into the cooling channel cast web. In this case, however, the size of the throttle effect after casting the turbine blade is no longer adjustable.

Eine einstellbare Drosselung der Kühlluftmenge einer Turbinenleitschaufel mit gleichzeitiger Entnahme eines Teils der Kühlluft ist in der EP 2 628 900 A1 beschrieben. Deren Drosselelement weist einen Hohlraum auf, in den ein Teil der Kühlluft in das Drosselelement einströmen und durch dieses aus der Turbinenschaufel herausgeführt werden kann. Diese Lösung ist jedoch vergleichsweise aufwändig in der Herstellung und somit kostenträchtig.An adjustable throttling of the amount of cooling air of a turbine vane with simultaneous removal of a portion of the cooling air is in the EP 2 628 900 A1 described. Whose throttle element has a cavity into which a part of the cooling air flow into the throttle element and can be led out by this from the turbine blade. However, this solution is relatively complex to manufacture and thus costly.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Turbinenleitschaufel bereitzustellen, bei der trotz einer an der Umlenkstelle vorhandenen Öffnung zum Herausführen von Kühlmittel aus der Turbinenschaufel eine Drosselung einfach und kostengünstig möglich ist.The object of the invention is to provide an alternative turbine vane, in which despite a present at the deflection point opening for leading coolant out of the turbine blade throttling is easy and inexpensive possible.

Die auf die Turbinenleitschaufel gerichtete Aufgabe wird mit einer solchen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Deren Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.The object directed to the turbine guide vane is achieved with such according to the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims. Their features can be combined in any way.

Erfindungsgemäß ist bei einer Turbinenleitschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand umfasst und zwischen denen ein zumindest zwei Kanalabschnitte umfassendes Kanalsystem des Schaufelblatts zur Führung von Kühlmittel angeordnet ist, wobei die Kanalabschnitte im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und über einen eine Drosseleinrichtung aufweisenden Umlenkbereich miteinander strömungsverbunden sind und wobei im Umlenkbereich eine Öffnung angeordnet ist, durch welche ein Teil des im Umlenkbereich strömenden Kühlmittels aus dem Schaufelblatt hinausführbar ist, vorgesehen, dass die Drosseleinrichtung eine Anzahl von Drosselelementen umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit lediglich einer der beiden Seitenwände verbunden ist.According to the invention is in a turbine vane with an aerodynamically curved airfoil, which comprises a suction-side side wall and a pressure-side side wall and between which at least two channel sections comprehensive channel system of the airfoil blade is arranged to guide coolant, wherein the channel sections arranged substantially parallel to each other and via a Throttle having deflecting region are connected to each other and wherein in the deflection an opening is arranged, through which a part of the flowing in the deflection coolant can be carried out of the blade, provided that the throttle device comprises a number of throttle elements, of which at least one, preferably all with only one of the two side walls is connected.

Üblicherweise handelt es sich bei der Turbinenleitschaufel um ein Gussbauteil, welches weitestgehend oder vollständig monolithisch ausgestaltet ist. Zweckmäßigerweise kann die Turbinenleitschaufel einen Fußbereich und einen Kopfbereich zur Befestigung umfassen. Beide Bereiche sind am Schaufelblatt beidendseitig angeordnet. Der Fußbereich der Turbinenleitschaufel dient zur Befestigung der Turbinenleitschaufel an einem ringförmigen Leitschaufelträger. Vom Fußbereich erstreckt sich nach radial innen das Schaufelblatt, an dessen inneren Ende sich der Kopfbereich anschließt. Im Schaufelblatt sind zwei annähernd parallele Kanalabschnitte über den fußseitig oder kopfseitig angeordneten Umlenkbereich strömungstechnisch miteinander verbunden und die betreffenden Drosselelemente ragen quer in Bezug auf die lokale Durchströmungsrichtung des Kühlmittels im Umlenkbereich in diesen hinein. Die beiden annähernd parallel zueinander angeordneten und in ihrer Form länglichen Kanalabschnitte sind durch eine Trennwand voneinander getrennt. Letztere endet am Umlenkbereich.The turbine guide vane is usually a cast component, which is designed largely or completely monolithically. Conveniently, the turbine vane may include a foot region and a head region for attachment. Both areas are arranged on both sides of the airfoil. The root portion of the turbine vane serves to secure the turbine vane to an annular vane carrier. From the foot extends radially inward the blade, at the inner end, the head area connects. In the airfoil, two approximately parallel duct sections are fluidly connected to one another via the deflecting region arranged on the foot or head side, and the respective throttling elements project transversely into the deflecting region with respect to the local throughflow direction of the coolant. The two approximately parallel to each other and elongated in their shape channel sections are separated by a partition wall. The latter ends at the deflection area.

Fußbereich und Kopfbereich können jeweils eine sogenannte Plattform zur lokalen, radialen Begrenzung des Heißgaskanals der Gasturbine umfassen. An der dem Heißgaskanal abgewandten Seite der inneren Plattform können Haken vorgesehen sein, welche Teil des Kopfbereichs sind und an welchem in der Regel ein sogenannter U-Ring befestigt werden kann. Mit diesem werden die Turbinenleitschaufeln oder auch Turbinenleitschaufelsegmente eines Leitschaufelkranzes der Gasturbine miteinander gekoppelt. Da diese U-Ringe gegebenenfalls gekühlt werden müssen und die von diesen Komponenten mit dem Rotor gebildeten Spalte gegen ein Eindringen von Heißgas gesperrt werden müssen, ist es von besonderem Vorteil, wenn das üblicherweise durch die Turbinenleitschaufel geführte Kühlmittel am kopfseitigen Ende der Turbinenleitschaufel durch eine weitere Öffnung austreten und dort nabenseitig verwendet werden kann.Foot area and head area may each include a so-called platform for local, radial limitation of the hot gas channel of the gas turbine. On the side facing away from the hot gas channel side of the inner platform hooks may be provided, which are part of the head area and on which usually a so-called U-ring can be attached. With this, the turbine vanes or turbine vane segments of a vane ring of the gas turbine are coupled together. Since these U-rings may need to be cooled and the gaps formed by these components with the rotor must be blocked against ingress of hot gas, it is particularly advantageous if the usually guided by the turbine vane coolant at the head end of the turbine vane by another Outlet emerge and can be used there hub side.

Der Erfindung liegt zudem die Erkenntnis zugrunde, dass zusätzliche thermische Spannungen in der Turbinenleitschaufel vermieden werden können, wenn die betreffenden Drosselelemente, sofern sie beim Gießen der Turbinenleitschaufel direkt mit hergestellt werden, nur mit einer der beiden Seitenwände verbunden sind. Bei Verbindung des betreffenden Drosselelements mit beiden Schaufelwänden gleichzeitig würde jedes derartige Drosselelement die mechanische Integrität der Turbinenleitschaufel ungewollt verändern. Dies ist jedoch nicht immer gewünscht. Gleichzeitig ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Drosseleinrichtung vergleichsweise einfach, da üblicherweise Turbinenleitschaufeln im Gießverfahren hergestellt werden und die Drosselelemente somit allein im Gusskern der Gießvorrichtung berücksichtigt werden müssen. D.h., im Gusskern sind in demjenigen Abschnitt, der den späteren Umlenkbereich der Turbinenschaufel repräsentiert, lediglich entsprechend der Gestalt der Drosselelemente geformte Sacklöcher als Negativform der Drosselelemente einzubringen. Andere Änderungen an einer bereits bestehenden Gießvorrichtung sind nicht vorzunehmen, was zu einer Kosteneinsparung führt.The invention is also based on the finding that additional thermal stresses can be avoided in the turbine vane, if the respective throttle elements, if they are made directly with the casting of the turbine vane, are connected to only one of the two side walls. When connecting the respective throttle element with two blade walls simultaneously, each such throttle element would change the mechanical integrity of the turbine vane unintentionally. However, this is not always desired. At the same time, the production of the throttle device according to the invention is comparatively simple, since Usually turbine guide vanes are produced in the casting process and the throttle elements must therefore be considered solely in the casting core of the casting apparatus. That is, in the casting core, in the section which represents the later deflection region of the turbine blade, only blind holes shaped in accordance with the shape of the throttle elements are to be introduced as a negative form of the throttle elements. Other changes to an existing casting device are not required, resulting in a cost saving.

Hierdurch kann eine einfach herzustellende sowie im Umlenkbereich von thermischen Spannungen nicht zusätzlich belastete Turbinenleitschaufel bereitgestellt werden.This makes it possible to provide a turbine guide vane that is easy to manufacture and is not additionally loaded by thermal stresses in the deflection region.

Zweckmäßigerweise ist das betreffende Drosselelement pinförmig ausgestaltet. Damit kann eine einfache Geometrie der Drosselelemente bereitgestellt werden. Zudem lassen sich bestehende Gusskerne durch das Bohren von Löchern, welche die Negativform der Pin-Form darstellen, vergleichsweise einfach umrüsten bzw. herstellen.Conveniently, the respective throttle element is pin-shaped. Thus, a simple geometry of the throttle elements can be provided. In addition, existing casting cores can be converted or produced comparatively easily by drilling holes which represent the negative form of the pin shape.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist das betreffende Drosselelement eine von 90° zur Innenfläche der Seitenwand, an der sie befestigt ist, abweichende Neigung auf, die vorzugsweise derart orientiert ist, dass sie einer Kühlmittelströmungsrichtung entgegen gerichtet ist. Damit lässt sich eine besonders gute Drosselwirkung erzielen.According to a first advantageous embodiment, the respective throttle element on a 90 ° to the inner surface of the side wall to which it is attached, deviating inclination, which is preferably oriented so that it is directed opposite to a coolant flow direction. This makes it possible to achieve a particularly good throttling effect.

Weiter bevorzugt sind zwei oder mehr Drosselelemente in Kühlmittelströmungsrichtung aufeinander folgend angeordnet, die mit stromabwärtigerer Position eine größere Drosselwirkung aufweisen. Vorzugsweise nimmt dabei die Querschnittsfläche der weiter stromab angeordneten Drosselelemente in einer Größenordnung von 30% bis 70% zu, verglichen mit den unmittelbar davon stromauf angeordneten Drosselelemente. Dadurch lässt sich die Drosselwirkung lokal sehr gezielt einstellen, wobei mehrere dieser Drosselelementreihen möglich sind.More preferably, two or more throttle elements are arranged successively in the coolant flow direction, which have a greater throttle effect with the downstream position. Preferably, the cross-sectional area of the throttle elements arranged further downstream increases in the order of magnitude of 30% to 70%, compared to the throttle elements disposed immediately upstream therefrom. As a result, the throttling effect can be adjusted locally very selectively, wherein a plurality of these throttle element rows are possible.

Weiter vorteilhaft ist diejenige Ausgestaltung, bei der das betreffende Drosselelement eine sich von seinem befestigungsseitigen Ende bis zum freien Ende erstreckende Höhe aufweist, die mindestens 30% des dortigen Abstands der Innenflächen der Seitenwände entspricht. Damit unterscheiden sich die Drosselelemente von ggf. dort angesiedelten Turbulatoren oder auch Einbauten, von denen letztere häufig eine verlustarme Umlenkung des dort strömenden Kühlmittels bewirken sollen. Weiter kann mit einer entsprechenden Höhe die Drosselwirkung ebenso einfach eingestellt werden.Also advantageous is the embodiment in which the respective throttle element has a height extending from its fastening side end to the free end, which corresponds to at least 30% of the local distance of the inner surfaces of the side walls. Thus, the throttle elements differ from possibly located there turbulators or internals, of which the latter are often intended to cause a low-loss deflection of the coolant flowing there. Next can be adjusted just as easily with a corresponding height, the throttle effect.

Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der der Umlenkbereich unter Berücksichtigung der Drosseleinrichtung einen lokalen Minimalquerschnitt aufweist, wobei an dieser Stelle ein theoretischer Maximalquerschnitt unter Nichtberücksichtigung der Drosseleinrichtung ermittelbar ist, wobei der Minimalquerschnitt kleiner ist als 50% des theoretischen Maximalquerschnitts. Weiter bevorzugt ist die Öffnung derart dimensioniert, dass durch diese zumindest eine teilweise Entfernung zumindest eines der Drosselelemente möglich ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dass bei Bedarf Teile der mitgegossenen Drosseleinrichtung wieder entfernt werden können, wenn sich herausstellt, dass aufgrund von Gießtoleranzen die Drosselwirkung der Drosseleinrichtung größer als spezifiziert ist. Das teilweise Entfernen der Drosselelemente bzw. Drosseleinrichtung reduziert die Drosselwirkung, so dass eine nach dem Gießen wegen zu geringer Kühlung nicht spezifikationskonforme Turbinenleitschaufel nach besagtem Entfernen dennoch verwendet werden kann. Dies verringert die Ausschussrate bei der Herstellung von Turbinenleitschaufeln.Particularly preferred is the embodiment in which the deflection region, taking into account the throttle device has a local minimum cross section, wherein at this point a theoretical maximum cross section can be determined by ignoring the throttle device, wherein the minimum cross section is smaller than 50% of the theoretical maximum cross section. More preferably, the opening is dimensioned such that at least a partial removal of at least one of the throttle elements is possible by this at least. This configuration makes it possible, if necessary, for parts of the co-molded throttle device to be removed again if it turns out that due to casting tolerances the throttling effect of the throttle device is greater than specified. The partial removal of the throttle elements or throttling device reduces the throttling effect, so that a turbine vane not conforming to specification after casting due to insufficient cooling can still be used after said removal. This reduces the reject rate in the manufacture of turbine vanes.

Für die Erfindung ist es unwesentlich, ob die Zuführung von Kühlmittel fußseitig oder kopfseitig erfolgt. Vorzugsweise ist jedoch das Drosselelement in demjenigen Bereich angeordnet, welcher der Zuführung gegenüber liegt.For the invention it is immaterial whether the supply of coolant takes place on the foot side or on the head side. Preferably, however, the throttle element is arranged in that region which is opposite to the feed.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
eine Turbinenleitschaufel in perspektivischer Darstellung mit einem aufgeschnittenen Schaufelblatt und einer fußseitig angeordneten Drosseleinrichtung und
Figur 2
einen nabenseitigen Querschnitt durch das Schaufelblatt der Turbinenleitschaufel gemäß FIG 1.
Further advantages and features of the invention will be explained in more detail with reference to the following drawing. Show it:
FIG. 1
a turbine vane in a perspective view with a cut open blade and a throttle-side arranged throttle device and
FIG. 2
a hub-side cross-section through the airfoil of the turbine vane according to FIG. 1 ,

Identische Merkmale sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical features are provided with the same reference numerals in all figures.

Eine Turbinenleitschaufel 10 für eine stationäre Gasturbine ist in Figur 1 perspektivisch dargestellt. Die Turbinenleitschaufel 10 umfasst einen Fußbereich 12, ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 14 sowie einen Kopfbereich 16, die entlang einer Längsachse 18 aufeinander folgen. In der Einbaulage in einer Gasturbine ist der Fußbereich 12 radial außen angesiedelt und der Kopfbereich 16 radial innen. Sowohl Fußbereich 12 als auch Kopfbereich 16 umfassen jeweils eine Plattform 20, die die lokale, radiale Begrenzung des ringförmigen Heißgaspfads der Gasturbine im Bereich der betreffenden Turbinenleitschaufel 10 bilden. Insofern erstreckt sich das Schaufelblatt 14 durch den ringförmigen Heißgaskanal 22. Sowohl Fußbereich 12 als auch Kopfbereich 16 haben an ihren dem Heißgaskanal 22 abgewandten Seiten mehrere Haken 24 zur Befestigung. Die am Fußbereich 12 vorgesehenen Haken 24 dienen zur Befestigung der Turbinenleitschaufel 10 an einem nicht dargestellten ringförmigen Turbinenleitschaufelträger. Die im Kopfbereich 16 angesiedelten Haken dagegen dienen zur Befestigung eines sogenannten U-Rings, welcher hier auch nicht weiter dargestellt ist. Für die Erfindung ist es dabei unerheblich, ob die Turbinenleitschaufel mit oder ohne Plattform oder hakenförmigen Befestigungsmitteln ausgestattet ist.A turbine nozzle 10 for a stationary gas turbine is in FIG. 1 shown in perspective. The turbine vane 10 includes a foot region 12, an aerodynamically curved airfoil 14, and a head region 16 that follow one another along a longitudinal axis 18. In the installation position in a gas turbine, the foot region 12 is located radially outward and the head region 16 is located radially inwards. Both foot region 12 and head region 16 each include a platform 20 which forms the local, radial boundary of the annular hot gas path of the gas turbine in the region of the respective turbine guide vane 10. In this respect, the airfoil 14 extends through the annular hot gas channel 22. Both foot region 12 and head region 16 have on their sides facing away from the hot gas channel 22 a plurality of hooks 24 for attachment. The provided on the foot portion 12 hooks 24 are used to attach the turbine vane 10 to an annular turbine vane carrier, not shown. On the other hand, the hooks located in the head region 16 serve for fastening a so-called U-ring, which is also not shown here. For the invention, it is irrelevant whether the turbine guide vane is equipped with or without platform or hook-shaped fastening means.

Das Schaufelblatt 14 umfasst eine Vorderkante 17 und eine Hinterkante 19, zwischen denen sich eine druckseitige und eine saugseitige Schaufelblattwand 40, 42 (FIG 2) erstrecken. Das in Figur 1 dargestellte Schaufelblatt 14 ist nicht vollständig perspektivisch, sondern teilweise im Längsschnitt gezeigt. Dadurch sind die im Inneren des Schaufelblatts 14 vorhandenen Kanalabschnitte 26 eines Kanalsystems 28 dargestellt. Somit ist das Kanalsystem 28 mit den Kanalabschnitten 26 zwischen den beiden Seitenwänden 40, 42 des Schaufelblatts 14 angeordnet. Das Kanalsystem 28 ist zur Führung von Kühlmittel 43 ausgestaltet, welches der Turbinenleitschaufel 10 über eine fußseitig angeordnete Öffnung 30 zuführbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei parallel nebeneinander angeordnete, längliche Kanalabschnitte 26 vorgesehen, von denen zwei über eine Rippe 36 größtenteils voneinander getrennt und am kopfseitigen Bereich über einen Umlenkbereich 30 strömungstechnisch miteinander verbunden sind. In diesem Umlenkbereich 30 weist die Turbinenleitschaufel 10 eine weitere Öffnung 31 auf.The airfoil 14 comprises a front edge 17 and a trailing edge 19, between which a pressure-side and a suction-side airfoil wall 40, 42 (FIGS. FIG. 2 ). This in FIG. 1 shown blade 14 is not completely perspective, but partially shown in longitudinal section. As a result, the channel sections 26 of a channel system 28 present in the interior of the blade 14 are shown. Thus, the channel system 28 is disposed with the channel portions 26 between the two side walls 40, 42 of the airfoil 14. The channel system 28 is configured to guide coolant 43, which can be fed to the turbine guide vane 10 via an opening 30 arranged on the foot side. In the embodiment shown, three parallel juxtaposed, elongated channel sections 26 are provided, two of which are largely separated by a rib 36 from each other and fluidly connected to each other at the head end region via a deflection region 30. In this deflection region 30, the turbine guide vane 10 has a further opening 31.

Im Umlenkbereich 30 ist eine Drosseleinrichtung 32 vorgesehen. Sie umfasst eine gemäß diesem Ausführungsbeispiel sechs (FIG 2) pinförmige Drosselelemente 33, von denen in FIG 1 lediglich drei dargestellt sind. Die drei dargestellten Drosselelemente 33 sind an der gezeigten Seitenwand befestigt und ragen frei endend in den Umlenkbereich hinein: sie sind mit der gegenüberliegenden (nicht dargestellten) Seitenwand nicht verbunden.In the deflection region 30, a throttle device 32 is provided. It comprises one according to this embodiment six ( FIG. 2 ) pin-shaped throttle elements 33, of which in FIG. 1 only three are shown. The three illustrated throttle elements 33 are attached to the side wall shown and protrude freely ending in the deflection: they are not connected to the opposite side wall (not shown).

Die sechs Drosselelemente 33 sind in zwei Reihen zu je drei Drosselelementen 33 rasterförmig angeordnet. Andere Muster für die Drosselelemente 33 und andere Anzahlen an Drosselelementen 33 sind denkbar. In Bezug auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels 43 weisen die stromauf angeordneten Drosselelemente 33 einen geringeren Querschnitt auf als die stromab davon angeordneten.The six throttle elements 33 are arranged in a grid pattern in two rows of three throttle elements 33 each. Other patterns for the throttling elements 33 and other numbers of throttling elements 33 are conceivable. With respect to the flow direction of the coolant 43, the upstream-side throttle elements 33 have a smaller cross-section than those arranged downstream thereof.

FIG 2 zeigt die Turbinenleitschaufel 10 gemäß dem Schnitt II-II aus Figur 1 mit dem Kopfbereich 16 und den daran angeordneten Haken 24 in perspektivischer Darstellung. Die Drosseleinrichtung 32 ist perspektivisch dargestellt und umfasst die sechs Drosselelemente 33. Diese sind derart gegenüber der Innenfläche der Seitenwände 40, 42 geneigt, dass diese der ankommenden Kühlmittelströmung entgegen gerichtet sind. FIG. 2 shows the turbine vane 10 according to the section II-II FIG. 1 with the head portion 16 and the hooks 24 arranged thereon in a perspective view. The throttling device 32 is shown in perspective and comprises the six throttle elements 33. These are inclined relative to the inner surface of the side walls 40, 42, that they are directed against the incoming coolant flow.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die pinförmigen Drosselelemente 33 eine Höhe auf, die 60% des Abstands A der beiden Innenflächen der Seitenwände 40, 42 entspricht. Aus diesem Grunde sind die Drosselelemente 33 der einen Seitenwand in Bezug auf die Drosselelemente 33 der anderen Seitenwand zueinander versetzt, sie sind verzahnt angeordnet und überlappen sich.In the illustrated embodiment, the pin-shaped throttle elements 33 have a height which corresponds to 60% of the distance A of the two inner surfaces of the side walls 40, 42. For this reason, the throttle elements 33 of the one side wall are offset relative to each other with respect to the throttle elements 33 of the other side wall, they are arranged in a toothed arrangement and overlap.

Das aus dem Kanalabschnitt 26a ankommende Kühlmittel 43, zumeist Kühlluft, wird auch aufgrund der Drosseleinrichtung 32 in zwei Teilströme aufgeteilt: ein erster Teil wird durch die weitere Öffnung 31 aus dem Schaufelblatt 14 und somit aus der Turbinenleitschaufel 10 hinausgeführt. Dort kann das Kühlmittel 43 nabenseitig zur Kühlung der dort angesiedelten Bauteile oder zur Sperrung von Spalten gegen Heißgaseinzug eingesetzt werden. Der restliche Teil des Kühlmittels 43 strömt in den Kanalabschnitt 26b und verbleibt vorerst in der Turbinenleitschaufel 10.The coolant 43, mostly cooling air, arriving from the duct section 26a is also divided into two partial flows because of the throttle device 32: a first part is led out of the airfoil 14 and thus out of the turbine vane 10 through the further opening 31. There, the coolant 43 can be used on the hub side for cooling the components located there or for blocking gaps against hot gas intake. The remaining part of the coolant 43 flows into the channel section 26 b and initially remains in the turbine guide vane 10.

Von besonderem Vorteil ist, dass mit Hilfe der Drosseleinrichtung 32 die gesamte Kühlluftmenge der Turbinenleitschaufel 10 einerseits und auch das Verhältnis der Aufteilung der beiden Kühlmittelteilströme andererseits eingestellt werden kann, selbst nachdem die Turbinenleitschaufel 10 gegossen wurde. Durch die Einsparung von Kühlluft weist eine mit den erfindungsgemäßen Turbinenleitschaufeln 10 ausgestattete Gasturbine einen verbesserten Wirkungsgrad auf. Auch ist es möglich, neuwertige, jedoch nicht spezifikationskonforme Turbinenleitschaufeln 10 mit Hilfe des Drosselelements 32 für den Einsatz in einer Gasturbine zu ertüchtigen. Damit kann die Ausschussrate an Bauteilen vermindert werden, was Kosten minimiert.It is of particular advantage that with the aid of the throttle device 32, the total amount of cooling air of the turbine vane 10 on the one hand and the ratio of the division of the two coolant sub-streams on the other hand can be adjusted, even after the turbine vane 10 has been poured. As a result of the saving of cooling air, a gas turbine equipped with the turbine guide vanes 10 according to the invention has an improved efficiency. It is also possible to retrofit as new, but not compliant turbine vanes 10 by means of the throttle element 32 for use in a gas turbine. This can be the Reduced rejection rates on components, which minimizes costs.

Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenleitschaufel 10 mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt 14, welches ein mit einem Drosselelement 32 ausgestattetes Kanalsystem 28 zur Führung von Kühlmittel aufweist. Um eine alternative Turbinenleitschaufel 10 bereitzustellen, bei der sowohl ein im Inneren strömender Kühlmittelteilstrom als auch ein aus der Turbinenleitschaufel 10 wieder herausgeführter Kühlmittelteilstrom einstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Drosseleinrichtung 32 eine Anzahl von Drosselelementen 33 umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit nur einer der beiden Seitenwände 40, 42 verbunden ist.Overall, the invention relates to a turbine vane 10 with an aerodynamically curved airfoil 14, which has a equipped with a throttle element 32 channel system 28 for guiding coolant. In order to provide an alternative turbine vane 10, in which both an internally flowing coolant stream and a recirculated from the turbine vane 10 partial flow of coolant is adjustable, it is proposed that the throttle device 32 comprises a number of throttle elements 33, of which at least one, preferably all with only one of the two side walls 40, 42 is connected.

Claims (7)

Turbinenleitschaufel (10)
mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (14), welches eine saugseitige Seitenwand (42) und eine druckseitige Seitenwand (40) umfasst und zwischen denen ein zumindest zwei Kanalabschnitte (26) umfassendes Kanalsystem (28) des Schaufelblatts (14) zur Führung von Kühlmittel (43) angeordnet ist,
wobei die Kanalabschnitte (26) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und über einen eine Drosseleinrichtung (32) aufweisenden Umlenkbereich (30) miteinander strömungsverbunden sind und
wobei im Umlenkbereich (30) eine Öffnung (31) angeordnet ist, durch welche ein Teil des im Umlenkbereich (30) strömenden Kühlmittels (43) aus dem Schaufelblatt hinausführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drosseleinrichtung (32) eine Anzahl von Drosselelementen (32) umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit nur einer der beiden Seitenwände (40, 42) verbunden ist.Turbine vane (10)
with an aerodynamically curved airfoil (14) which comprises a suction-side side wall (42) and a pressure-side side wall (40) and between which a channel system (28) of the airfoil (14) for guiding coolant (43) is provided comprising at least two duct sections (26) ) is arranged
wherein the channel sections (26) are arranged substantially parallel to one another and flow-connected to one another via a deflection region (30) having a throttle device (32), and
wherein an opening (31) is arranged in the deflection region (30), through which part of the coolant (43) flowing in the deflection region (30) can be led out of the airfoil,
characterized in that
the throttling device (32) comprises a number of throttling elements (32), of which at least one, preferably all, are connected to only one of the two side walls (40, 42). Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der das betreffende Drosselelement (33) pinförmig ausgestaltet ist.Turbine vane (10) according to claim 1,
in which the respective throttle element (33) is designed pin-shaped. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das betreffende Drosselelement (33) eine von 90° zur Innenfläche der Seitenwand (40, 42), an der sie befestigt ist, abweichende Neigung aufweist, die vorzugsweise derart orientiert ist, dass sie einer Kühlmittelströmungsrichtung entgegen gerichtet ist.Turbine vane (10) according to claim 1 or 2,
wherein the respective throttle element (33) has a different from 90 ° to the inner surface of the side wall (40, 42), to which it is attached, inclined, which is preferably oriented so that it is directed opposite to a coolant flow direction. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der zwei oder mehr Drosselelemente (33) in Kühlmittelströmungsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind, die mit stromabwärtigerer Position eine größere Drosselwirkung aufweisen.Turbine vane (10) according to claim 1, 2 or 3,
wherein two or more throttle elements (33) are successively arranged in the refrigerant flow direction, which have a larger throttle effect with the downstream position. Turbinenleitschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der das betreffende Drosselelement (33) eine sich von seinem befestigungsseitigen Ende bis zum freien Ende erstreckende Höhe aufweist, die mindestens 30% des dortigen Abstands der Innenflächen der Seitenwände (40, 42) entspricht.Turbine vane (10) according to one of claims 1 to 4,
in which the respective throttle element (33) has a height extending from its attachment-side end to the free end, which corresponds to at least 30% of the local spacing of the inner surfaces of the side walls (40, 42). Turbinenleitschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der der Umlenkbereich (30) unter Berücksichtigung der Drosseleinrichtung einen Minimalquerschnitt aufweist und an dieser Stelle ein theoretischer Maximalquerschnitt unter Nichtberücksichtigung der Drosseleinrichtung ermittelbar ist,
wobei der Minimalquerschnitt kleiner ist als 50% des Maximalquerschnitts.Turbine vane (10) according to one of claims 1 to 5,
in which the deflection region (30), taking into account the throttle device, has a minimal cross section and at this point a theoretical maximum cross section can be determined, ignoring the throttle device,
wherein the minimum cross section is smaller than 50% of the maximum cross section. Turbinenleitschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der die Öffnung (31) derart dimensioniert ist, dass durch sie zumindest eine teilweise Entfernung der Drosselelemente (33) möglich ist.Turbine vane (10) according to one of claims 1 to 6,
wherein the opening (31) is dimensioned such that at least a partial removal of the throttle elements (33) is possible through them.
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