EP3199759A1 - Turbine blade for a thermal turbo engine - Google Patents

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EP3199759A1
EP3199759A1 EP16153374.0A EP16153374A EP3199759A1 EP 3199759 A1 EP3199759 A1 EP 3199759A1 EP 16153374 A EP16153374 A EP 16153374A EP 3199759 A1 EP3199759 A1 EP 3199759A1
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EP
European Patent Office
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turbine blade
cooling
airfoil
cooling channel
cover element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16153374.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
York Mick
Andreas Heselhaus
Robert Kunte
Uwe Paul
Bärbel Pöhler
Marcel SCHLÖSSER
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 EP16153374.0A priority Critical patent/EP3199759A1/en
Publication of EP3199759A1 publication Critical patent/EP3199759A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/10Stators
    • F05D2240/12Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/127Vortex generators, turbulators, or the like, for mixing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/50Inlet or outlet
    • F05D2250/51Inlet

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade for a thermal turbomachine, comprising an airfoil which can be flowed around by a hot gas and which has a suction-side sidewall and a pressure-side sidewall, the main flow direction of the hot gas being viewed from a common leading edge to a trailing edge and along a direction to the main flow direction Substantially perpendicular longitudinal axis extending from a first end of the airfoil to this opposite the second end of the airfoil, wherein in the airfoil interior at least one cooling channel is provided, which is bounded by a plurality of inner surfaces, of which at least one of the first side wall inner surface at least partially the inside of one of the two Is side walls, and having an access through which a cooling medium can be flowed from outside the turbine blade in the cooling passage, wherein the turbine blade at the entrance with a cover member mitinde st comprises an opening.
  • a corresponding turbine blade is for example from the WO 2009/153108 A2 known.
  • a throttle plate is provided at the entrance of the cooling air duct, which reduces the amount of cooling medium flowing into the interior of the turbine blade.
  • two holes are provided whose position appears optional.
  • the object of the invention is therefore to provide a turbine blade whose cover plate enables improved cooling.
  • the covering element comprises means which impart a twist to the cooling medium which can be flowed into the cooling channel.
  • the invention is based on the finding that by introducing an additional velocity component in the circumferential direction, a heat transfer increase based on a purely parralel to the longitudinal axis of the cooling channel flowing cooling medium is made possible, so that the cooling medium can efficiently cool the wall surrounding the cooling channel. This is referred to below as cyclone cooling.
  • the metal sheets which are generally formed as cover elements at an access of the cooling channel, have means for generating a twist of the cooling medium which can flow in the cooling channel.
  • the cover element comprises a swirl generator, preferably in the form of a drum, as a means for generating a swirl, in which - based on a central axis of the swirl generator - at least one, preferably a plurality of tangentially oriented Einstrompassagen along the circumference of the swirl generator are provided distributed. Due to the tangentially oriented Einstrompassagen then flows from the outside (or from inside) into the swirl generator a cooling medium (or off), which cause a helical flow in the interior (or outside) of the swirl generator. The helical flow then flows in concentric circles around the neutral chord of the cooling channel, so that in said
  • Cooling channel which adjoins the swirl generator, which can spread the swirling flow with an additional Geschindmaschineskomponente in the circumferential direction for heat transfer increase.
  • the cover element can have, as a means for generating the swirl, guide elements which impress a flow component oriented in the circumferential direction to the cooling medium flowing through the openings. This also makes it possible to ensure a swirling flow inside the cooling channel.
  • the cover may extend partially into the cooling channel.
  • the cover member may preferably comprise a tubular portion in which impingement cooling holes are provided.
  • the wall surrounding the cooling duct can be cooled down upstream and can be cooled downstream by the swirling cooling, which can also be referred to as cyclone cooling.
  • the turbine blade may be formed both as a guide blade and as a blade.
  • the cover is attached to an underside of the usually fir-tree or dovetail-shaped blade root.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a longitudinal section through a turbine blade 10.
  • the turbine blade 10 comprises along a virtual longitudinal axis 12 successively a mounting portion 18, a platform 16 and an aerodynamically curved airfoil 14.
  • the airfoil 14 includes two side walls 20, 22, of which the first pressure side (20) and the second suction side (22) is arranged.
  • the side walls 20, 22 extend from a common in FIG. 1 Not shown leading edge to a common trailing edge 24.
  • the blade 14 is - as the position of the cutting plane makes it clear - hollow.
  • This cavity is also referred to as cooling channel 28 and has at least one access 34.
  • the access 34 is located at the one of the two ends 32 of the airfoil 14th
  • FIG. 1 Of the two ends of the airfoil, there is only one end in FIG. 1 shown.
  • the blade blade 14 When the turbine blade 10 is configured as a guide blade, as shown, the blade blade 14 usually has a transversely extending platform 16 at both of its ends 32. For blades with so-called shrouds this is also true. Solely freestanding turbine blades have a platform only at one of their two blade ends, wherein in a turbine free-standing vane rather untypical and freestanding rather blades are common. Common are freestanding blades. Relative to the installation position in an example axially through-flowable gas turbine is usually spoken of an inner platform and an outer platform, based on the machine axis of the gas turbine. Then also the longitudinal axis 12 is perpendicular to the machine axis. In the embodiment shown here, the platform 16 is arranged radially outward.
  • cover element 36 attached to the airfoil 14, it is only partially closed, since a plurality of openings 38 are provided in the cover element 36.
  • the cover member 36 is secured to the remainder of the turbine bucket, the cast bucket body, in a conventional manner, such as by a welded joint.
  • the hot gas of the gas turbine flows from the leading edge to the trailing edge 24.
  • the airfoil 14 is internally cooled.
  • the turbine blade 10 is supplied via the openings 38 cooling air, which along the cooling channel 28, the side walls 20, 22 flows cooling.
  • Cooling channel 28 from the cooling air flows through not shown further cooling channels to arranged at the trailing edge 24 outlet openings 40, at which the cooling air leaves the turbine blade 10.
  • the outlet openings 40 are designed as so-called "cut-back openings". However, this is irrelevant to the invention. They could also alternatively be arranged as central outlet openings at the trailing edge 24.
  • the four openings 38 are designed as bores, their longitudinal axes do not extend perpendicular to the flat surface 37 of the cover 36. Rather, the bore axes of the openings 38 are inclined so that they each have a tangential component for the incoming Provide cooling medium K, so that in the cooling channel 28 can form a flow that is swirling: flowing in the cooling channel 28 cooling medium K flows quasi on one or more helical lines around the neutral chord of the cooling channel, which lies in the centroid of the cross section of the cooling channel.
  • the openings 38 are inclined relative to the Abdeckelementsenkrechten that they impose the incoming cooling medium K the swirl.
  • guide elements may be provided on the surface of the cover element facing the cooling channel 28, which, for example, are inclined with respect to a surface perpendicular.
  • FIG. 2 shows the access-side region of the cooling channel 28 of an alternative turbine blade 110 in a further schematic representation.
  • the cooling channel 28 is bounded by inner surfaces 21, 23 which are part of the side walls 20 and 22 respectively.
  • the access 34 of the cooling channel 28 is through a cover member 136 according to a second embodiment covered.
  • the cover element 136 is configured in the shape of a cylinder hat and thereby has a collar-shaped ring 137, on whose inner diameter a swirl generator 139 is provided.
  • the swirl generator 139 is in the form of a drum and in this embodiment does not extend into the cooling channel 28, but protrudes outwards.
  • a lid 140 is provided at the outer end of the swirl generator 139.
  • openings 138 are also provided.
  • FIG. 3 shows the cross section through the swirler 139 along the section line III-III.
  • the swirl generator 139 is configured hollow inside and has an outer diameter d a , which is comparatively large compared to its inner diameter d i .
  • the swirl generator 139 is made comparatively thick-walled.
  • two inflow passages 143 which are aligned tangentially with respect to a central axis 44 of the swirler 139, extend.
  • Each inflow passage 143 may also be designed as a row of holes or as a slot.
  • the turbine blade 110 is supplied with the cooling medium K from outside. This flows laterally into the swirl generator 139 through the inflow passages 143. Due to the comparatively thick-walled design, the cooling medium K guided through the inflow passages 143 is directed into the interior of the swirl generator 139. This flows therein with a directed around the central axis 44 twist. Subsequently, the cooling medium flows into the cooling channel 28, where it continues to be swirling, where it cools the inner surfaces 21, 23 of the side walls 20, 22 and thus the blade 14.
  • the value for the average channel height B K for example, between 1 cm and 4 cm and for the wall thickness WS of the cover 136, for example, between 0.5 mm and 2 mm.
  • variants of cover elements 36 are also conceivable in which openings 138 are missing in the collar-shaped ring 137. This applies in particular to variants in which the first distance b 1 is selected to be zero.
  • the apertures 138 may be employed as well as the apertures 38 of the first embodiment to further aid in the cyclonic action of the vortex generator 139.
  • FIG. 4 shows a third turbine blade 210 with a third embodiment of a cover 236. However, only the differences from the second embodiment will be explained below.
  • the cover element 236 is designed in such a way that, in addition to cyclone cooling, it additionally effects a partial impingement cooling of the cooling channel or of the inner surfaces 21, 23 allows.
  • the cover element 236 is formed as a shortened impingement cooling insert with a tubular section 245 compared to the length of the cooling channel.
  • Impact cooling openings 247 are provided in the tubular section 245, wherein the tubular section 245 is preferably not circular in cross-section, but rather resembles the cross-sectional contour of the mostly trapezoidal cooling channel 28.
  • the tubular portion 245 has an inflow-side end 34 with an opposing bottom 249.
  • the swirl generator 139 is attached to the floor 249 via a support wall 251. In order to obtain a flat cover member 36, the tubular portion 245 and the swirl generator 139 overlap. In the bottom 249 and the swirl-supporting openings 38 are arranged.
  • the airfoil 14 is impingement-cooled in a first section D and cyclone-cooled in a second section M.
  • FIG. 5 A fourth exemplary embodiment of a cover element 336 in the form of a combined impact-cooling insert with a swirl generator 339 is shown in FIG FIG. 5 illustrated in which the swirl generator 339 and the tubular portion 245 for the impingement cooling with respect to the longitudinal axis of the cooling channel 28, not as in FIG. 4 overlapping, but are arranged axially offset from each other.
  • the swirl generator 339 according to this embodiment comprises eight rectilinear inflow passages 343 arranged with respect to the center axis 44 and the third diameter d a like a secant.
  • Each inflow passage 343 may be configured as a single bore, as a series of holes or as a slot.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) für eine thermische Strömungsmaschine, mit einem von einem Heißgas umströmbaren Schaufelblatt (14) umfasst, welches eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druckseitige Seitenwand (20), die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse (12) betrachtet sich von einem ersten Ende des Schaufelblatts (14) zu einem diesen gegenüberliegendem zweiten Ende des Schaufelblatts (14) mit einer Länge erstrecken, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Kühlkanal (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23) begrenzt ist und der einen Zugang (34) aufweist, durch den ein Kühlmedium (K) von außerhalb der Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) in den Kühlkanal (28) einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) am Zugang (34) ein Abdeckelement (36) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst. Um diese effizient kühlbar auszugestalten, wird vorgeschlagen, dass das Abdeckelement (36, 136, 236, 336) Mittel umfasst, welche dem in den Kühlkanal (28) einströmbaren Kühlmedium (K) einen Drall aufprägen.The invention relates to a turbine blade (10, 110, 210, 310) for a thermal turbomachine, comprising an airfoil (14), which can be flowed around by a hot gas, which has a suction side wall (22) and a pressure side side wall (20) in the main flow direction Hot gas is seen from a common leading edge to a common trailing edge (24) and along a longitudinal axis (12) substantially perpendicular to the main flow direction viewed from a first end of the airfoil (14) to a second end of the airfoil (14) opposite thereto. extend with a length, wherein in the blade inner side at least one cooling channel (28) is provided which is bounded by a plurality of inner surfaces (21, 23) and which has an access (34) through which a cooling medium (K) from outside the turbine blade (10 , 110, 210, 310) can be flowed into the cooling channel (28), wherein the turbine blade (10, 110, 210, 310) pulls ang (34) comprises a cover (36) having at least one opening (38). In order to make them efficiently coolable, it is proposed that the cover element (36, 136, 236, 336) comprises means which impart a twist to the cooling medium (K) which can flow into the cooling channel (28).

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt, das eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse sich von einem ersten Ende des Schaufelblatts zu einem diesen gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblatts erstrecken, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Kühlkanal vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen begrenzt ist, von denen zumindest eine als erste Seitenwandinnenfläche zumindest teilweise die Innenseite einer der beiden Seitenwände ist, und der einen Zugang aufweist, durch den ein Kühlmedium von außerhalb der Turbinenschaufel in den Kühlkanal einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel am Zugang ein Abdeckelement mit zumindest einer Öffnung umfasst.The invention relates to a turbine blade for a thermal turbomachine, comprising an airfoil which can be flowed around by a hot gas and which has a suction-side sidewall and a pressure-side sidewall, the main flow direction of the hot gas being viewed from a common leading edge to a trailing edge and along a direction to the main flow direction Substantially perpendicular longitudinal axis extending from a first end of the airfoil to this opposite the second end of the airfoil, wherein in the airfoil interior at least one cooling channel is provided, which is bounded by a plurality of inner surfaces, of which at least one of the first side wall inner surface at least partially the inside of one of the two Is side walls, and having an access through which a cooling medium can be flowed from outside the turbine blade in the cooling passage, wherein the turbine blade at the entrance with a cover member mitinde st comprises an opening.

Eine dementsprechende Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der WO 2009/153108 A2 bekannt. Bei der bekannten Turbinenleitschaufel ist am Eingang des Kühlluftkanals ein Drosselblech vorgesehen, welches die Menge des in das Innere der Turbinenschaufel einströmenden Kühlmediums reduziert. Im bekannten Abdeckblech sind zwei Löcher vorgesehen, deren Position wahlfrei erscheint.A corresponding turbine blade is for example from the WO 2009/153108 A2 known. In the known turbine vane, a throttle plate is provided at the entrance of the cooling air duct, which reduces the amount of cooling medium flowing into the interior of the turbine blade. In the known cover plate two holes are provided whose position appears optional.

Aufgrund der wahlfreien Positionierung der Löcher können jedoch Strömungsverluste und geringere Kühlleistungen auftreten, was ungewünscht ist. Bisher wurde dieses Problem jedoch noch nicht berücksichtigt, weswegen die hier vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen soll.Due to the optional positioning of the holes, however, flow losses and lower cooling performance can occur, which is undesirable. So far, however, this problem has not been considered, which is why the present invention should remedy this.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel, deren Abdeckplatte eine verbesserte Kühlung ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a turbine blade whose cover plate enables improved cooling.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.This object is achieved by a turbine blade according to claim 1, wherein advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Abdeckelement Mittel umfasst, welche dem in den Kühlkanal einströmbaren Kühlmedium einen Drall aufprägen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Einführung einer zusätzlichen Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung eine Wärmeübergangssteigerung bezogen auf ein rein parralel zur Längsachse des Kühlkanals strömendes Kühlmedium ermöglicht wird, so dass das Kühlmedium effizienter die den Kühlkanal umgebende Wand kühlen kann. Dies wird nachfolgend als Zyklonkühlung bezeichnet.According to the invention, it is provided that the covering element comprises means which impart a twist to the cooling medium which can be flowed into the cooling channel. The invention is based on the finding that by introducing an additional velocity component in the circumferential direction, a heat transfer increase based on a purely parralel to the longitudinal axis of the cooling channel flowing cooling medium is made possible, so that the cooling medium can efficiently cool the wall surrounding the cooling channel. This is referred to below as cyclone cooling.

Um eine bereits im Einströmbereich des Kühlkanals hinreichende Kühlung zu erzeugen, wird vorgeschlagen, dass die in der Regel als Abdeckelement an einem Zugang des Kühlkanals ausgebildeten Bleche Mittel zur Erzeugung eines Dralls des im Kühlkanals strömbaren Kühlmediums aufweisen.In order to produce sufficient cooling already in the inflow region of the cooling channel, it is proposed that the metal sheets, which are generally formed as cover elements at an access of the cooling channel, have means for generating a twist of the cooling medium which can flow in the cooling channel.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Abdeckelement als Mittel zur Erzeugung eines Dralls einen Drallerzeuger, vorzugsweise in Form einer Trommel, in dem - bezogen auf eine Mittelachse des Drallerzeugers - zumindest eine, vorzugsweise mehrere tangential orientierte Einstrompassagen längs des Umfangs des Drallerzeugers verteilt vorgesehen sind. Aufgrund der tangential orientierten Einstrompassagen strömt dann von außen (oder von innen) in den Drallerzeuger ein Kühlmedium ein (bzw. aus), welches im inneren (bzw. außerhalb) des Drallerzeugers eine schraubenförmige Strömung hervorrufen. Die schraubenförmige Strömung strömt dann in konzentrischen Kreisen um die neutrale Sehne des Kühlkanals, so dass sich im besagtenAccording to a first advantageous embodiment, the cover element comprises a swirl generator, preferably in the form of a drum, as a means for generating a swirl, in which - based on a central axis of the swirl generator - at least one, preferably a plurality of tangentially oriented Einstrompassagen along the circumference of the swirl generator are provided distributed. Due to the tangentially oriented Einstrompassagen then flows from the outside (or from inside) into the swirl generator a cooling medium (or off), which cause a helical flow in the interior (or outside) of the swirl generator. The helical flow then flows in concentric circles around the neutral chord of the cooling channel, so that in said

Kühlkanal, welcher sich an den Drallerzeuger anschließt, die drallförmige Strömung mit einer zusätzlichen Geschindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zur Wärmeübergangssteigerung ausbreiten kann.Cooling channel, which adjoins the swirl generator, which can spread the swirling flow with an additional Geschindigkeitskomponente in the circumferential direction for heat transfer increase.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Abdeckelement als Mittel zur Erzeugung des Dralls Leitelemente aufweisen, die dem durch die Öffnungen einströmenden Kühlmedium eine in Umfangsrichtung orientierte Strömungskomponente aufprägen. Auch hierdurch lässt sich eine drallbehaftete Strömung im Inneren des Kühlkanals gewährleisten.According to an alternative embodiment, the cover element can have, as a means for generating the swirl, guide elements which impress a flow component oriented in the circumferential direction to the cooling medium flowing through the openings. This also makes it possible to ensure a swirling flow inside the cooling channel.

Weiter bevorzugt kann sich das Abdeckelement teilweise in den Kühlkanal hinein erstrecken. In diesem Fall kann das Abdeckelement vorzugsweise einen rohrförmigen Abschnitt umfassen, in dem Prallkühlöffnungen vorgesehen sind. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsvariante ist die den Kühlkanal umgebende Wand stromauf prallkühlbar und stromab durch die drallbehaftete Kühlung, welche auch als Zyklonkühlung bezeichnet werden kann, kühlbar.More preferably, the cover may extend partially into the cooling channel. In this case, the cover member may preferably comprise a tubular portion in which impingement cooling holes are provided. According to this preferred embodiment variant, the wall surrounding the cooling duct can be cooled down upstream and can be cooled downstream by the swirling cooling, which can also be referred to as cyclone cooling.

Zweckmäßiger Weise kann die Turbinenschaufel sowohl als Leitschaufel als auch als Laufschaufel ausgebildet sein. Ausgebildet als Laufschaufel ist das Abdeckelement an einer Unterseite des zumeist tannenbaum- oder schwalbenschwanzförmigen Laufschaufelfußes angebracht.Conveniently, the turbine blade may be formed both as a guide blade and as a blade. Formed as a blade, the cover is attached to an underside of the usually fir-tree or dovetail-shaped blade root.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden nachfolgend mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Hierbei sind die Figuren lediglich schematisch dargestellt, wodurch insbesondere keine Einschränkung der Ausführbarkeit der Erfindung die Folge ist. Es zeigen:

Figur 1
eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, ausgestaltet als Leitschaufel in einer teilgeschnittenen perspektivischen Darstellung,
Figur 2
einen schematischen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel mit einem Kühlkanal und einem daran angeordneten Abdeckelement gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 3
einen Querschnitt durch einen Drallerzeuger gemäß Figur 2,
Figur 4
den schematischen Längsschnitt gemäß Figur 2 mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abdeckelements,
Figur 5
den schematischen Längsschnitt gemäß Figur 2 mit einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abdeckelements und
Figur 6
einen Querschnitt durch einen weiteren Drallerzeuger.
The above-described characteristics, features and advantages of the invention and the manner in which they are achieved are explained in more detail below with the description of the exemplary embodiments with reference to the attached figures. Here, the figures are shown only schematically, which in particular no limitation of the feasibility of the invention is the result. Show it:
FIG. 1
a turbine blade according to the invention, designed as a vane in a partially cutaway perspective view,
FIG. 2
FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through a turbine blade with a cooling channel and a cover element arranged thereon according to a second exemplary embodiment, FIG.
FIG. 3
a cross section through a swirl generator according to FIG. 2 .
FIG. 4
the schematic longitudinal section according to FIG. 2 with a third embodiment of a cover element according to the invention,
FIG. 5
the schematic longitudinal section according to FIG. 2 with a fourth embodiment of a cover according to the invention and
FIG. 6
a cross section through another swirl generator.

In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In all figures, identical features are provided with the same reference numerals.

Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 umfasst entlang einer virtuellen Längsachse 12 aufeinanderfolgend einen Befestigungsabschnitt 18, eine Plattform 16 sowie ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 14. Das Schaufelblatt 14 umfasst zwei Seitenwände 20, 22, von denen die erste druckseitig (20) und die zweite saugseitig (22) angeordnet ist. Die Seitenwände 20, 22 erstrecken sich von einer gemeinsamen in Figur 1 nicht dargestellten Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante 24. Das Schaufelblatt 14 ist - wie die Lage der Schnittebene es verdeutlicht - hohl ausgebildet. Dieser Hohlraum wird auch als Kühlkanal 28 bezeichnet und weist zumindest einen Zugang 34 auf. Der Zugang 34 liegt an dem einen der beiden Enden 32 des Schaufelblatts 14. FIG. 1 shows a perspective view of a longitudinal section through a turbine blade 10. The turbine blade 10 comprises along a virtual longitudinal axis 12 successively a mounting portion 18, a platform 16 and an aerodynamically curved airfoil 14. The airfoil 14 includes two side walls 20, 22, of which the first pressure side (20) and the second suction side (22) is arranged. The side walls 20, 22 extend from a common in FIG. 1 Not shown leading edge to a common trailing edge 24. The blade 14 is - as the position of the cutting plane makes it clear - hollow. This cavity is also referred to as cooling channel 28 and has at least one access 34. The access 34 is located at the one of the two ends 32 of the airfoil 14th

Von den beiden Enden des Schaufelblatts ist lediglich ein Ende in Figur 1 dargestellt.Of the two ends of the airfoil, there is only one end in FIG. 1 shown.

Wenn die Turbinenschaufel 10 - wie dargestellt - als Leitschaufel ausgestaltet ist, weist das Schaufelblatt 14 zumeist an beiden seiner Enden 32 eine sich quer dazu erstreckende Plattform 16 auf. Bei Laufschaufeln mit so genannten Deckbändern gilt dies ebenso. Allein freistehende Turbinenschaufeln weisen lediglich an einem ihrer beiden Schaufelblatt-Enden eine Plattform auf, wobei in einer Turbine freistehende Leitschaufel eher untypisch und freistehende eher Laufschaufeln gängig sind. Gängig sind freistehende Laufschaufeln. Bezogen auf die Einbaulage in einer beispielweise axial durchströmbaren Gasturbine spricht man in der Regel von einer inneren Plattform und einer äußeren Plattform, bezogen auf die Maschinenachse der Gasturbine. Dann steht auch die Längsachse 12 senkrecht auf der Maschinenachse. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Plattform 16 radial außen angeordnet.When the turbine blade 10 is configured as a guide blade, as shown, the blade blade 14 usually has a transversely extending platform 16 at both of its ends 32. For blades with so-called shrouds this is also true. Solely freestanding turbine blades have a platform only at one of their two blade ends, wherein in a turbine free-standing vane rather untypical and freestanding rather blades are common. Common are freestanding blades. Relative to the installation position in an example axially through-flowable gas turbine is usually spoken of an inner platform and an outer platform, based on the machine axis of the gas turbine. Then also the longitudinal axis 12 is perpendicular to the machine axis. In the embodiment shown here, the platform 16 is arranged radially outward.

Der Zugang 34 ist durch ein am Schaufelblatt 14 befestigtes Abdeckelement 36 zwar vollständig abgedeckt, jedoch nur teilweise verschlossen, da im Abdeckelement 36 mehrere Öffnungen 38 vorgesehen sind. Das Abdeckelement 36 ist an der restlichen Turbinenschaufel, dem gegossenen Schaufelgrundkörper, in konventioneller Weise befestigt, beispielsweise durch eine Schweißverbindung.Although the access 34 is completely covered by a cover element 36 attached to the airfoil 14, it is only partially closed, since a plurality of openings 38 are provided in the cover element 36. The cover member 36 is secured to the remainder of the turbine bucket, the cast bucket body, in a conventional manner, such as by a welded joint.

Beim Betrieb einer mit der gezeigten Turbinenschaufel 10 ausgestatteten Gasturbine strömt das Heißgas der Gasturbine von der Vorderkante zur Hinterkante 24. Damit das Schaufelblatt 14 den heißen Temperaturen standhalten kann, ist das Schaufelblatt 14 innen gekühlt. Dazu wird der Turbinenschaufel 10 über die Öffnungen 38 Kühlluft zugeführt, welche längs des Kühlkanals 28 die Seitenwände 20, 22 kühlend strömt. Vom Kühlkanal 28 aus strömt die Kühlluft durch nicht gezeigte weitere Kühlkanäle zu an der Hinterkante 24 angeordneten Austrittsöffnungen 40, an denen die Kühlluft die Turbinenschaufel 10 verlässt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Austrittsöffnungen 40 als sog. "Cut-Back-Öffnungen" ausgestaltet. Dies ist jedoch für die Erfindung unerheblich. Sie könnten auch alternativ als mittige Austrittsöffnungen an der Hinterkante 24 angeordnet sein.
When operating a gas turbine equipped with the illustrated turbine blade 10, the hot gas of the gas turbine flows from the leading edge to the trailing edge 24. In order for the airfoil 14 to withstand the hot temperatures, the airfoil 14 is internally cooled. For this purpose, the turbine blade 10 is supplied via the openings 38 cooling air, which along the cooling channel 28, the side walls 20, 22 flows cooling. from Cooling channel 28 from the cooling air flows through not shown further cooling channels to arranged at the trailing edge 24 outlet openings 40, at which the cooling air leaves the turbine blade 10.
In the exemplary embodiment shown, the outlet openings 40 are designed as so-called "cut-back openings". However, this is irrelevant to the invention. They could also alternatively be arranged as central outlet openings at the trailing edge 24.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die vier Öffnungen 38 zwar als Bohrungen ausgeführt, jedoch erstrecken sich deren Längsachsen nicht senkrecht zur ebenen Oberfläche 37 des Abdeckelements 36. Vielmehr sind die Bohrungsachsen der Öffnungen 38 derartig geneigt, dass diese jeweils eine tangentiale Komponente für das einströmende Kühlmedium K bereitstellen, so dass sich im Kühlkanal 28 eine Strömung ausbilden kann, die drallbehaftet ist: das im Kühlkanal 28 strömende Kühlmedium K strömt quasi auf einer oder mehreren Schraubenlinien um die neutrale Sehne des Kühlkanals, welche im Flächenschwerpunkt des Querschnitts des Kühlkanals liegt.According to a first embodiment of the invention, although the four openings 38 are designed as bores, their longitudinal axes do not extend perpendicular to the flat surface 37 of the cover 36. Rather, the bore axes of the openings 38 are inclined so that they each have a tangential component for the incoming Provide cooling medium K, so that in the cooling channel 28 can form a flow that is swirling: flowing in the cooling channel 28 cooling medium K flows quasi on one or more helical lines around the neutral chord of the cooling channel, which lies in the centroid of the cross section of the cooling channel.

Mithin sind als Mittel zur Erzeugung eines Dralls die Öffnungen 38 derart gegenüber der Abdeckelementsenkrechten geneigt, dass sie dem einströmenden Kühlmedium K den Drall aufprägen. Weiterhin könnten zusätzlich oder alternativ zu den geneigten Öffnungen 38 an der dem Kühlkanal 28 zugewandten Fläche des Abdeckelements 39 Leitelemente vorgesehen sein, die beispielsweise gegenüber einer Flächensenkrechten geneigt sind.Thus, as a means for generating a twist, the openings 38 are inclined relative to the Abdeckelementsenkrechten that they impose the incoming cooling medium K the swirl. Furthermore, in addition to or as an alternative to the inclined openings 38, guide elements may be provided on the surface of the cover element facing the cooling channel 28, which, for example, are inclined with respect to a surface perpendicular.

Figur 2 zeigt den zugangsseitigen Bereich des Kühlkanals 28 einer alternativen Turbinenschaufel 110 in einer weiter schematisierten Darstellung. In Analogie zu der aus Figur 1 bekannten Turbinenschaufel 10 ist der Kühlkanal 28 durch Innenflächen 21, 23 begrenzt, die Teil von den Seitenwänden 20 bzw. 22 sind. Der Zugang 34 des Kühlkanals 28 ist durch ein Abdeckelement 136 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel abgedeckt. Das Abdeckelement 136 ist zylinderhutförmig ausgestaltet und weist dadurch einen kragenförmigen Ring 137 auf, an dessen Innendurchmesser ein Drallerzeuger 139 vorgesehen ist. Der Drallerzeuger 139 ist in Form einer Trommel und erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel nicht in den Kühlkanal 28 hinein, sondern ragt nach außen. Am äußeren Ende des Drallerzeugers 139 ist ein Deckel 140 vorgesehen. Im kragenförmigen Ring 137 sind ebenfalls Öffnungen 138 vorgesehen. FIG. 2 shows the access-side region of the cooling channel 28 of an alternative turbine blade 110 in a further schematic representation. In analogy to the out FIG. 1 known turbine blade 10, the cooling channel 28 is bounded by inner surfaces 21, 23 which are part of the side walls 20 and 22 respectively. The access 34 of the cooling channel 28 is through a cover member 136 according to a second embodiment covered. The cover element 136 is configured in the shape of a cylinder hat and thereby has a collar-shaped ring 137, on whose inner diameter a swirl generator 139 is provided. The swirl generator 139 is in the form of a drum and in this embodiment does not extend into the cooling channel 28, but protrudes outwards. At the outer end of the swirl generator 139, a lid 140 is provided. In the collar-shaped ring 137 openings 138 are also provided.

Figur 3 zeigt den Querschnitt durch den Drallerzeuger 139 entlang der Schnittlinie III-III. Der Drallerzeuger 139 ist im Inneren hohl ausgestaltet und weist einen Außendurchmesser da auf, der vergleichsweise groß gegenüber seinem Innendurchmesser di ist. Dadurch ist der Drallerzeuger 139 vergleichsweise dickwandig ausgeführt. Durch die Wand des Drallerzeugers 139 erstrecken sich zwei Einströmpassagen 143, die in Bezug auf eine Mittelachse 44 des Drallerzeugers 139 tangential ausgerichtet sind. Jede Einströmpassage 143 kann auch als Bohrungsreihe oder als Schlitz ausgeführt sein. FIG. 3 shows the cross section through the swirler 139 along the section line III-III. The swirl generator 139 is configured hollow inside and has an outer diameter d a , which is comparatively large compared to its inner diameter d i . As a result, the swirl generator 139 is made comparatively thick-walled. Through the wall of the swirl generator 139, two inflow passages 143, which are aligned tangentially with respect to a central axis 44 of the swirler 139, extend. Each inflow passage 143 may also be designed as a row of holes or as a slot.

Im Betrieb wird der Turbinenschaufel 110 das Kühlmedium K von außen zugeführt. Dieses strömt durch die Einströmpassagen 143 seitlich in den Drallerzeuger 139 ein. Aufgrund der vergleichsweise dickwandigen Ausführung wird das durch die Einströmpassagen 143 geführte Kühlmedium K gerichtet in das Innere des Drallerzeugers 139 eingeleitet. Dieses strömt darin mit einem um die Mittelachse 44 gerichteten Drall weiter. Anschließend strömt das Kühlmedium - weiterhin drallbehaftet - in den Kühlkanal 28 ein, wo es die Innenflächen 21, 23 der Seitenwände 20, 22 und damit das Schaufelblatt 14 kühlt.In operation, the turbine blade 110 is supplied with the cooling medium K from outside. This flows laterally into the swirl generator 139 through the inflow passages 143. Due to the comparatively thick-walled design, the cooling medium K guided through the inflow passages 143 is directed into the interior of the swirl generator 139. This flows therein with a directed around the central axis 44 twist. Subsequently, the cooling medium flows into the cooling channel 28, where it continues to be swirling, where it cools the inner surfaces 21, 23 of the side walls 20, 22 and thus the blade 14.

Gemäß der Darstellung in Figuren 2 und 3 sind der Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des Abdeckelements 136 folgende Parameter zu entnehmen:

  • ein mittlere Kanalhöhe BK als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittelachse senkrechten Abstands der beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23,
  • eine axiale Länge HS des Drallerzeuger 139, erfasst als axialer Abstand zwischen seinem Deckel 140 und dem kragenförmigen Ring 137,
  • die Wandstärke WS des Abdeckelements 136,
  • ein erster Abstand b1 als projizierter (senkrechter) Abstand der Außenwand des Drallerzeugers 139 von den Innenflächen 21, 23,
  • ein erster Durchmesser d1 als Durchmesser derjenigen, im kragenförmigen Ring 137 angeordneten Öffnungen 138, die in Bezug auf die Mittelachse 44 - am weitesten außen angeordnet sind,
  • ein zweiter Durchmesser dx1 als Durchmesser derjenigen, im kragenförmigen Ring 137 angeordneten Öffnungen 138, die weiter innen - in Bezug auf die Mittelachse 44 - angeordnet sind,
  • ein zweiter Abstand t1 als Abstand zwischen der zu kühlenden Innenfläche 21, 23 und der Mitte der zuäußerst angeordneten Öffnung 138,
  • ein dritter Abstand tx1 als Abstand zwischen der zuäußerst angeordneten Öffnung 138 und der nächstinneren Öffnung 138,
  • ein dritter Durchmesser da als äußerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
  • ein vierter Durchmesser di als innerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
  • eine Exzentrizität e als Abstand zwischen der Mittelachse 44 des Drallerzeugers 139 und der betreffenden Einströmpassage 143 und
  • eine Einströmfläche AIn als Summe der Einströmquerschnitte aller Einströmpassagen 143.
As shown in FIGS. 2 and 3 are the arrangement according to the second embodiment of the cover 136 to take the following parameters:
  • a mean channel height B K as the arithmetic mean of the minimum and maximum distance, perpendicular to the central axis, of the two opposite inner surfaces 21, 23,
  • an axial length H S of the swirl generator 139, detected as an axial distance between its cover 140 and the collar-shaped ring 137,
  • the wall thickness WS of the cover element 136,
  • a first distance b 1 as a projected (vertical) distance of the outer wall of the swirl generator 139 from the inner surfaces 21, 23,
  • a first diameter d 1 as the diameter of that in the collar-shaped ring 137 arranged openings 138, which are arranged with respect to the central axis 44 - outermost,
  • a second diameter d x1 as a diameter of those arranged in the collar-shaped ring 137 openings 138 which are further inwardly - with respect to the central axis 44 - are arranged
  • a second distance t 1 as the distance between the inner surface 21, 23 to be cooled and the center of the uppermost opening 138,
  • a third distance t x1 as a distance between the uppermost opening 138 and the next inner opening 138,
  • a third diameter d a as the outer diameter of the swirler 139,
  • a fourth diameter d i as the inner diameter of the swirler 139,
  • an eccentricity e as a distance between the central axis 44 of the swirl generator 139 and the respective inflow passage 143 and
  • an inflow area A In as a sum of the inflow cross sections of all inflow passages 143.

Da üblicherweise die Stärke der Seitenwände 20, 22 aufgrund von strukturmechanischen Anforderungen vorgegeben und auch der Krümmungsverlauf der Seitenwände 20, 22 durch die aerodynamischen Anforderungen an das Schaufelblatt 14 vorbestimmt werden, ergibt sich für die mittlere Kanalhöhe BK ein vorgegebener Wert.Since usually the strength of the side walls 20, 22 predetermined due to structural mechanical requirements and also the curvature of the side walls 20, 22 through the aerodynamic Requirements for the airfoil 14 are predetermined, results for the mean channel height B K a predetermined value.

So kann der Wert für die mittlere Kanalhöhe BK beispielsweise zwischen 1 cm und 4 cm und für die Wandstärke WS des Abdeckelements 136 beispielsweise zwischen 0.5 mm und 2 mm liegen.Thus, the value for the average channel height B K, for example, between 1 cm and 4 cm and for the wall thickness WS of the cover 136, for example, between 0.5 mm and 2 mm.

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 10 mit einer reinen Zyklonkühlung mit mittelmäßiger Kühlwirkung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen: Tab. 1 Generelle Anforderung für eine Turbinenschaufel mit einer Zyklonkühlung Generelle Anforderungen für die Zyklonkühlung BK vorgegeben WS vorgegeben Ain abhängig vom Kühlmassenstrom di abhängig vom Kühlmassenstrom e = 0.5·di da ≤ 1·BK d1 ≤ (b2 - WS) t1 ≥ 0.5·d1 dxi ≤ (b2 - WS) txi ≥ 0.5·dxi Hs abhängig von AIn b1 ≤ 0.15·BK Investigations have shown that a turbine blade 10 with a pure cyclone cooling with mediocre cooling effect can be provided if the parameters have the following values or correspond to the following conditions: Tab. 1 General requirement for a turbine blade with cyclone cooling General requirements for cyclone cooling B K set WS set A in depending on the cooling mass flow d i depending on the cooling mass flow e = 0.5 · d i d a ≤ 1 · B K d 1 ≤ (b 2 - WS) t 1 ≥ 0.5 · d 1 d xi ≤ (b 2 - WS) t xi ≥ 0.5 · dxi H s depending on A in b 1 ≤ 0.15 · B K

Selbstverständlich sind ebenso Varianten an Abdeckelementen 36 denkbar, bei denen im kragenförmigen Ring 137 Öffnungen 138 fehlen. Dies gilt insbesondere für Varianten, bei denen der erste Abstand b1 gleich Null gewählt wird. Gleichfalls können die Öffnungen 138 ebenso angestellt sein wie die Öffnungen 38 des ersten Ausführungsbeispiels, um die Zyklonwirkung des Drallerzeugers 139 weiter zu unterstützen.Of course, variants of cover elements 36 are also conceivable in which openings 138 are missing in the collar-shaped ring 137. This applies in particular to variants in which the first distance b 1 is selected to be zero. Likewise, the apertures 138 may be employed as well as the apertures 38 of the first embodiment to further aid in the cyclonic action of the vortex generator 139.

Für eine vergleichsweise schwach zyklongekühlte Turbinenschaufel 110 sollten deren Parameter den in der Tabelle 2 genannten Werten bzw. Bedingungen entsprechen: Tab. 2 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer schwachen Zyklonkühlung Schwache Zyklonkühlung BK vorgegeben WS vorgegeben Ain abhängig vom Kühlmassenstrom di abhängig vom Kühlmassenstrom e = 0.5·di da ≤ 0.5·BK d1 = 1 mm t1 ≥ 0.5·d1 + 1·WS dxi = 0 (nur eine Öffnungsreihe) txi = 0 (nur eine Öffnungsreihe) HS = 5·WS b1 = 0.15·BK For a comparatively weakly cyclone-cooled turbine blade 110, their parameters should correspond to the values or conditions given in Table 2: Tab. 2 Example of a turbine blade with a weak cyclone cooling Weak cyclone cooling B K set WS set A in depending on the cooling mass flow d i depending on the cooling mass flow e = 0.5 · d i d a ≤ 0.5 · B K d 1 = 1 mm t 1 ≥ 0.5 · d 1 + 1 · WS d xi = 0 (only one row of openings) t xi = 0 (only one row of openings) H S = 5 · WS b 1 = 0.15 · B K

Für eine vergleichsweise stark zyklongekühlte Turbinenschaufel 110 sollten die Parameter den in der Tabelle 3 genannten Werten bzw. Bedingungen entsprechen: Tab. 3 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer starken Zyklonkühlung Starke Zyklonkühlung BK vorgegeben WS vorgegeben Ain abhängig vom Kühlmassenstrom di abhängig vom Kühlmassenstrom e = 0.5·di da ≤ 0.7·BK d1 ≤ 0.10·BK t1 ≥ 0.5·d1 + 1·WS dxi < 0.05·BK txi ≥ 1·dxi HS = 8·WS b1 = 0.25·BK For a comparatively strongly cyclone-cooled turbine blade 110, the parameters should correspond to the values or conditions given in Table 3: Tab. 3 Example of a turbine blade with a strong cyclone cooling Strong cyclone cooling B K set WS set A in depending on the cooling mass flow d i depending on the cooling mass flow e = 0.5 · d i d a ≤ 0.7 · B K d 1 ≤ 0.10 · B K t 1 ≥ 0.5 · d 1 + 1 · WS d xi <0.05 · B K t xi ≥ 1 · d xi H S = 8 · WS b 1 = 0.25 · B K

Figur 4 zeigt eine dritte Turbinenschaufel 210 mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines Abdeckelements 236. Nachfolgend werden jedoch nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert. FIG. 4 shows a third turbine blade 210 with a third embodiment of a cover 236. However, only the differences from the second embodiment will be explained below.

Das Abdeckelement 236 ist derart ausgestaltet ist, dass dieses neben einer Zyklonkühlung zusätzlich eine teilweise Prallkühlung des Kühlkanals bzw. der Innenflächen 21, 23 ermöglicht. Dazu ist das Abdeckelement 236 als - verglichen mit der Länge des Kühlkanals - verkürzter Prallkühleinsatz mit einem rohrförmigen Abschnitt 245 ausgebildet. Im rohrförmigen Abschnitt 245 sind Prallkühlöffnungen 247 vorgesehen, wobei der rohrförmige Abschnitt 245 im Querschnitt betrachtet vorzugsweise nicht kreisrund ist, sondern der Querschnittskontur des zumeist trapezförmigen Kühlkanals 28 ähnelt. Mithin weist der rohrförmigen Abschnitt 245 ein einströmseitiges Ende 34 mit einem gegenüberliegenden Boden 249 auf. Der Drallerzeuger 139 ist über eine Tragwand 251 an dem Boden 249 befestigt. Um ein flachbauendes Abdeckelement 36 zu erhalten, überlappen sich der rohrförmige Abschnitt 245 und der Drallerzeuger 139. Ggf. sind im Boden 249 auch den Drall unterstützende Öffnungen 38 angeordnet.The cover element 236 is designed in such a way that, in addition to cyclone cooling, it additionally effects a partial impingement cooling of the cooling channel or of the inner surfaces 21, 23 allows. For this purpose, the cover element 236 is formed as a shortened impingement cooling insert with a tubular section 245 compared to the length of the cooling channel. Impact cooling openings 247 are provided in the tubular section 245, wherein the tubular section 245 is preferably not circular in cross-section, but rather resembles the cross-sectional contour of the mostly trapezoidal cooling channel 28. Thus, the tubular portion 245 has an inflow-side end 34 with an opposing bottom 249. The swirl generator 139 is attached to the floor 249 via a support wall 251. In order to obtain a flat cover member 36, the tubular portion 245 and the swirl generator 139 overlap. In the bottom 249 and the swirl-supporting openings 38 are arranged.

Mithin wird während des Betriebs das Schaufelblatt 14 in einem ersten Abschnitt D prallgekühlt und in einem zweiten Abschnitt M zyklongekühlt.Thus, during operation, the airfoil 14 is impingement-cooled in a first section D and cyclone-cooled in a second section M.

Ein viertes Ausführungsbeispiel eines Abdeckelements 336 in Form eines kombinierten Prallkühleinsatzes mit einem Drallerzeuger 339 ist in Figur 5 dargestellt, bei der der Drallerzeuger 339 und der rohrförmige Abschnitt 245 für die Prallkühlung in Bezug auf die Längsachse des Kühlkanals 28, nicht wie in Figur 4 überlappend, sondern axial zueinander versetzt angeordnet sind.A fourth exemplary embodiment of a cover element 336 in the form of a combined impact-cooling insert with a swirl generator 339 is shown in FIG FIG. 5 illustrated in which the swirl generator 339 and the tubular portion 245 for the impingement cooling with respect to the longitudinal axis of the cooling channel 28, not as in FIG. 4 overlapping, but are arranged axially offset from each other.

Abschließend zeigt Figur 6 einen alternativen Drallerzeuger 339. Der Drallerzeuger 339 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst acht geradlinige Einströmpassagen 343, die in Bezug auf die Mittelachse 44 und dem dritten Durchmesser da wie eine Sekante angeordnet ist. Jede Einströmpassage 343 kann dabei als eine einzige Bohrung, als eine Reihe von Bohrungen oder als Schlitz ausgestaltet sein.Finally shows FIG. 6 an alternative swirl generator 339. The swirl generator 339 according to this embodiment comprises eight rectilinear inflow passages 343 arranged with respect to the center axis 44 and the third diameter d a like a secant. Each inflow passage 343 may be configured as a single bore, as a series of holes or as a slot.

Aufgrund der zueinander versetzten Anordnung wird der Drallerzeuger 339 in umgekehrter Richtung - in Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel - durchströmt. Insofern ist die vom inneren, vierten Durchmesser di definierte Fläche des Drallerzeugers 339 die Einströmfläche AIn für das Kühlmedium K.Due to the staggered arrangement of the swirl generator 339 in the reverse direction - in relation to the second embodiment - flows through. In that sense, the of the inner, fourth diameter d i defined surface of the swirl generator 339 the inflow surface A In for the cooling medium K.

Gemäß den Darstellungen der Figuren 4 und 5 sind den Anordnungen gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiels des Abdeckelements 236, 336 folgende Parameter zu entnehmen:

  • ein mittlere Kanalhöhe BK als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittelachse senkrechten Abstands der beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23,
  • eine axiale Länge Hs des Drallerzeuger 139,
  • die Wandstärke WS des Abdeckelements 36,
  • eine Exzentrizität e als Abstand zwischen der Mittelachse 44 des Drallerzeugers 339 und der betreffenden Einströmpassage 143 bzw. Ausströmpassage 343,
  • ein dritter Durchmesser da als äußerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
  • ein vierter Durchmesser di als innerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
  • eine Einströmfläche AIn als Summe der Einströmquerschnitte aller Einströmpassagen 143 (nur für das dritte Ausführungsbeispiel) bzw. als Einströmquerschnitt des vierten Durchmessers di (nur für das vierte Ausführungsbeispiel),
  • ein Durchmesser d der Prallkühlöffnungen 247,
  • Prallkühllänge H des rohrförmigen Abschnitts 245, erfasst zwischen dem Zugang 34 und seinem Boden 249,
  • ein vierter Abstand h1 als Abstand zwischen dem Boden 249 und der daran nächstliegenden Reihe an Prallkühlöffnungen 247,
  • ein fünfter Abstand hxi als Abstand zwischen zwei Reihen von Prallkühlöffnungen 247 sowie
  • ein sechster Abstand z als Abstand zwischen der Innenfläche 21, 23 und dem rohrförmigen Abschnitt 245,
  • ein siebter Abstand b als projizierter (senkrechter) Abstand der Prallkühleinsatzes zur Tragwand 251,
  • eine Länge hs2 als axiale Länge der Tragwand 251 (nur für das dritte Ausführungsbeispiel) und
  • eine Länge hs3 als axiale Länge der Tragwand 351 (nur für das vierte Ausführungsbeispiel).
According to the representations of the FIGS. 4 and 5 the arrangements according to the second and third embodiment of the cover 236, 336, the following parameters are shown:
  • a mean channel height B K as the arithmetic mean of the minimum and maximum distance, perpendicular to the central axis, of the two opposite inner surfaces 21, 23,
  • an axial length H s of the swirler 139,
  • the wall thickness WS of the cover element 36,
  • an eccentricity e as a distance between the central axis 44 of the swirl generator 339 and the relevant inflow passage 143 or outflow passage 343,
  • a third diameter d a as the outer diameter of the swirler 139,
  • a fourth diameter d i as the inner diameter of the swirler 139,
  • an inflow area A In as a sum of the inflow cross sections of all inflow passages 143 (only for the third embodiment) or as an inflow cross section of the fourth diameter d i (only for the fourth embodiment),
  • a diameter d of the impingement cooling holes 247,
  • Impact cooling length H of the tubular portion 245, captured between the access 34 and its bottom 249,
  • a fourth distance h 1 as the distance between the bottom 249 and the next row of impingement cooling openings 247,
  • a fifth distance h xi as the distance between two rows of impingement cooling holes 247 as well
  • a sixth distance z as a distance between the inner surface 21, 23 and the tubular portion 245,
  • a seventh distance b as a projected (vertical) distance of the impingement cooling insert to the support wall 251,
  • a length h s2 as the axial length of the support wall 251 (only for the third embodiment) and
  • a length h s3 as the axial length of the support wall 351 (only for the fourth embodiment).

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 210, 310 mit einer Prall- und Zyklonkühlung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen: Tab. 4 Generelle Anforderung für Turbinenschaufeln mit Zyklon- und Prallkühlung Für den Prallkühlabschnitt D Für den Zyklonkühlabschnitt M WS vorgegeben BK vorgegeben d 0.8 mm < d < 1.6 mm Ain abhängig vom Kühlmassenstrom H ≥ 2·d HS abhängig von AIn h1 > 1·d b 0.15·BK ≤ b1 ≤ 0.25·BK hxi ≥ 1·d e = 0.5·di z z/d < 4.5 di abhängig vom Kühlmassenstrom da ≤ 0.7·BK hs2 0 ≤ hs2 ≤ (H-Hs) hs3 0 ≤ hs3 ≤ 2·H Investigations have shown that a turbine blade 210, 310 can be provided with an impingement and cyclone cooling, if the parameters have the following values or correspond to the following conditions: Tab. 4 General requirement for turbine blades with cyclone and impingement cooling For the impingement cooling section D For the cyclone cooling section M WS set B K set d 0.8 mm <d <1.6 mm A in depending on the cooling mass flow H ≥ 2 · d H S depending on A in h 1 > 1 · d b 0.15 · B K ≤ b 1 ≤ 0.25 · B K h xi ≥ 1 · d e = 0.5 · d i z z / d <4.5 d i depending on the cooling mass flow d a ≤ 0.7 · B K h s2 0 ≤h s2 ≤ (HH s ) h s3 0 ≤ h s3 ≤ 2 · H

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 210, 310 mit einer vergleichsweise schwachen Prall- und Zyklonkühlung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen: Tab. 5 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer schwachen Zyklon- und Prallkühlung Für den Prallkühlabschnitt D Für den Zyklonkühlabschnitt M WS vorgegeben BK vorgegeben d = 1.0 mm Ain abhängig vom Kühlmassenstrom H = 3 d HS abhängig von AIn h1 ≥ 1·d b = 0.25·BK hxi ≥ 0 (nur eine Reihe) e = 0.5·di z z/d < 4.5 di abhängig vom Kühlmassenstrom da ≤ 0.5·BK hs2 = 0 hs3 = 0 Investigations have shown that a turbine blade 210, 310 can be provided with comparatively weak impingement and cyclone cooling if the parameters have the following values or correspond to the following conditions: Tab. 5 Example of a turbine blade with a weak cyclone and impingement cooling For the impingement cooling section D For the cyclone cooling section M WS set B K set d = 1.0 mm A in depending on the cooling mass flow H = 3 d H S depending on A in h 1 ≥ 1 · d b = 0.25 · B K h xi ≥ 0 (only one row) e = 0.5 · d i z z / d <4.5 d i depending on the cooling mass flow d a ≤ 0.5 · B K h s2 = 0 h s3 = 0

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 210, 310 mit einer vergleichsweise starken Prall- und Zyklonkühlung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen: Tab. 6 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer schwachen Zyklon-und Prallkühlung Für den Prallkühlabschnitt D Für den Zyklonkühlabschnitt M WS vorgegeben BK vorgegeben d = 0.8 mm Ain abhängig vom Kühlmassenstrom H = 10 d HS abhängig von AIn h1 ≥ 1 d b = 0.15·BK hxi ≥ 1 d e = 0.5·di z z/d < 1.5 di abhängig vom Kühlmassenstrom da ≤ 0.7·BK hs2 = H-HS hs3 = 1.5·H Investigations have shown that a turbine blade 210, 310 can be provided with comparatively strong impingement and cyclone cooling if the parameters have the following values or correspond to the following conditions: Tab. 6 Example of a turbine blade with a weak cyclone and impingement cooling For the impingement cooling section D For the cyclone cooling section M WS set B K set d = 0.8 mm A in depending on the cooling mass flow H = 10 d H S depending on A in h 1 ≥ 1 d b = 0.15 · B K h xi ≥ 1 d e = 0.5 · d i z z / d <1.5 d i depending on the cooling mass flow d a ≤ 0.7 · B K h s2 = HH S h s3 = 1.5 · H

Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das jeweilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter "ein" bzw. "eine" nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmte Artikel zu verstehen.Although some terms are used in the specification or claims in the singular or in conjunction with a number word, the scope of the invention for these terms should not be limited to the singular or the respective number word. Further, the words "a" and "an" are not to be understood as number words but as indefinite articles.

Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden, soweit diese Kombination, die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben lösen kann. Andere Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung eröffnen sich dem Fachmann zudem anhand der Unteransprüche, welche ebenfalls mit den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen kombiniert werden können.The embodiments serve to illustrate the invention and do not limit the invention to the combinations of features specified therein, not even with respect to functional features. In addition, suitable features of each embodiment may also be explicitly considered isolated, removed from one embodiment, incorporated into another embodiment to complement it and combined with any of the claims, as far as that combination can solve the objects underlying the invention. Other developments and embodiments of the invention will become apparent to those skilled in the art with reference to the dependent claims, which may also be combined with the embodiments illustrated below.

Claims (6)

Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) für eine thermische Strömungsmaschine,
mit einem von einem Heißgas umströmbaren Schaufelblatt (14),
welches eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druckseitige Seitenwand (20) umfasst, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse (12) sich von einem ersten Ende des Schaufelblatts (14) zu einem diesen gegenüberliegendem zweiten Ende des Schaufelblatts (14) mit einer Länge erstrecken,
wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Kühlkanal (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23) begrenzt ist und der einen Zugang (34) aufweist, durch den ein Kühlmedium (K) von außerhalb der Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) in den Kühlkanal (28) einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) am Zugang (34) ein Abdeckelement (36) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abdeckelement (36, 136, 236, 336) Mittel umfasst, welche dem in den Kühlkanal (28) einströmbaren Kühlmedium (K) einen Drall aufprägen.
Turbine blade (10, 110, 210, 310) for a thermal turbomachine,
with an airfoil (14) which can be flowed around by a hot gas,
which comprises a suction-side side wall (22) and a pressure-side side wall (20), viewed in the main flow direction of the hot gas from a common leading edge to a common trailing edge (24) and along a longitudinal axis (12) substantially perpendicular to the main flow direction a first end of the airfoil (14) extending to a second end of the airfoil (14) opposite thereto that has a length,
wherein in the blade inner side at least one cooling channel (28) is provided, which is bounded by a plurality of inner surfaces (21, 23) and which has an access (34) through which a cooling medium (K) from outside the turbine blade (10, 110, 210, 310) can be flowed into the cooling channel (28), wherein the turbine blade (10, 110, 210, 310) at the access (34) comprises a cover element (36) with at least one opening (38),
characterized in that
the cover element (36, 136, 236, 336) comprises means which impart a twist to the cooling medium (K) which can flow into the cooling channel (28).
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 1,
bei der das Abdeckelement (36, 136, 236, 336) als Mittel zur Erzeugung eines Dralls einen Drallerzeuger (39, 139, 336) in Form einer Trommel umfasst, in dem - bezogen auf seine Mittelachse (44) - zumindest eine tangential orientierte Einströmpassage (143) vorgesehen ist.
Turbine blade (10, 110, 210, 310) according to claim 1,
in which the cover element (36, 136, 236, 336) comprises a swirl generator (39, 139, 336) in the form of a drum as means for generating a swirl, in which - with respect to its central axis (44) - at least one tangentially oriented inflow passage (143) is provided.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 2,
bei der das Abdeckelement (136) zumindest teilweise zylinderhutförmig ausgebildet ist.
Turbine blade (10, 110, 210, 310) according to claim 2,
in which the cover element (136) is at least partially in the form of a hat-hat.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das Abdeckelement als Mittel zur Erzeugung eines Dralls Leitelemente aufweist.
Turbine blade (10, 110, 210, 310) according to claim 1 or 2,
in which the cover element has guide elements as a means for generating a twist.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der das Abdeckelement (236, 336) sich teilweise in den Kühlkanal (28) hinein erstreckt.
Turbine blade (10, 110, 210, 310) according to one of claims 1 to 4,
wherein the cover member (236, 336) extends partially into the cooling passage (28).
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 5,
bei der das Abdeckelement (236, 336) einen rohrförmigen Abschnitt (245) umfasst, in dem Prallkühlöffnungen (247) vorgesehen sind.
Turbine blade (10, 110, 210, 310) according to claim 5,
wherein the cover member (236, 336) comprises a tubular portion (245) in which impingement cooling holes (247) are provided.
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