EP3199760A1 - Turbinenschaufel mit einem drosselelement - Google Patents

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EP3199760A1
EP3199760A1 EP16153376.5A EP16153376A EP3199760A1 EP 3199760 A1 EP3199760 A1 EP 3199760A1 EP 16153376 A EP16153376 A EP 16153376A EP 3199760 A1 EP3199760 A1 EP 3199760A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
opening
turbine blade
side wall
throttle element
airfoil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16153376.5A
Other languages
English (en)
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 EP16153376.5A priority Critical patent/EP3199760A1/de
Publication of EP3199760A1 publication Critical patent/EP3199760A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • 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
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • 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
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F01D9/065—Fluid supply or removal conduits traversing the working fluid flow, e.g. for lubrication-, cooling-, or sealing fluids
    • 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
    • F05D2250/10—Two-dimensional
    • F05D2250/19—Two-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/191—Two-dimensional machined; miscellaneous perforated

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, which in the main flow direction of the hot gas is 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 blade inside at least one cavity is provided, which is bounded by a plurality of inner surfaces, of which at least as a first side wall inner surface at least partially the inside of one of the two Is side walls, and having a feed side through which a cooling medium can be flowed into the cavity from outside the turbine blade, wherein the turbine blade on the feed side, a throttle element comprising at least one 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 throttle holes are provided whose position appears optional.
  • the object of the invention is therefore to provide a turbine blade whose throttle plate enables improved cooling.
  • the at least one opening is arranged as the first opening closer to the first side wall inner surface than to the inner surface which lies opposite the first inner wall side surface.
  • the invention is based on the recognition that, in the case of centrally arranged openings in the throttle element, the cooling air does not uniformly enter into the inlet cross section of the cavity, but rather selectively via local positions with a high momentum. Side of these local positions occur immediately downstream of the throttle element at the channel inlet so-called dead water areas or recirculation areas with low Reynolds numbers, which cause less heat transfer in the cooling channel.
  • the inventive displacement of the openings of the throttle element toward the thermally highly loaded side walls an improved cooling air distribution can be achieved at the partially covered opening cross-section of the cavity.
  • the openings of the throttle element By placing the openings of the throttle element close to the wall, the distance between the side wall inner surface to be cooled and the nearest edge of the relevant opening is reduced, so that the space for dead water or recirculation areas has been significantly reduced. Accordingly, the occurrences of these flow phenomena are lower compared to the throttle elements known in the prior art.
  • This increases the heat transfer there, as a result of which the side walls also become more efficient immediately downstream of the throttle element from the cooling medium passing through can be cooled as before.
  • the targeted cooling of the thermally highly stressed sites can extend the life of the turbine blade and / or possibly delay the formation of defects such as cracks or the like.
  • This invention also allows the selective use of the positive effect of equalizing the flow at the cavity entrance, whereby a strong or a weak cooling in this area of the cooling channel can be adjusted, depending on the design requirement.
  • an opening is then positioned closer to the first sidewall inner surface than to the inner surface opposite it when the centroid of the respective aperture is located closer to said sidewall inner surface than to the inner surface opposite it.
  • the openings provided in the throttle element may have any shape, for example, they may be circular, slit-shaped or elliptical. Slits in particular, which follow the curvature of the side wall or the curvature of the side wall inner surface, are advantageous because they produce a more homogeneous mass flow distribution along the side wall surface in contrast to a plurality of discrete bores. As a result, its allows a complete flow in cavities or cooling channels with highly curved side walls, as they can occur, for example, in guide vanes provide.
  • the turbine blade according to the invention comprises a main body, which has mostly been produced in a casting process, and the one next to the airfoil Also includes a platform and provided for mounting blade root, a inventive, separately manufactured throttle element can also be used as a retrofit solution for existing turbine blades.
  • a center line can be defined centrally on the feed side between the first side wall inner surface and the inner surface opposite it, wherein the at least one opening is arranged eccentrically as the first opening with respect to the center line.
  • this is understood to mean an opening whose opening area is not cut by the center line. This indicates a position of the opening with respect to the side wall inner surface which positions said opening so close to the side wall inner surface that recirculation and dead water areas can be reduced to a technically acceptable size.
  • the inner surface opposite the first side wall inner surface is at least a part of the inner surface of the other of the two side walls as the second side wall inner surface.
  • second openings are preferably provided in the throttle element, wherein the first opening (s) and the second opening (s) are arranged such that the first opening (s) are closer to the first side wall inner surface at the second sidewall inner surface and the second opening (s) are located closer to the second sidewall inner surface than at the first sidewall inner surface.
  • a center line can be defined centrally on the feed side between the first side wall inner surface and the inner surface opposite it, the first opening and the second opening being arranged eccentrically with respect to the center line.
  • the turbine blade can be designed as a guide blade or as a blade of a thermal fluid machine.
  • the throttle element is usually fastened to one of the ends of the blade, whereas with blades the throttle element is fastened to an underside of a blade root of the blade.
  • the cavity extends not only through the blade of the blade, but also through the blade root.
  • the cavity boundary is to be understood by inner surfaces so that they can also extend through a portion of the blade root. Due to the longer inlet distance of the cavity of a blade, however, the use of the throttle element according to the invention is more suitable for guide vanes.
  • the throttle element is plate-shaped. In this case, it only serves to adjust the inflowing coolant quantity.
  • the throttle element may be configured in the form of a cylinder hatch.
  • the term "cylinder-hat-shaped" is understood to mean not a circular but a throttle element which comprises a tubular section with an arbitrary cross-sectional contour, which has a lid at one end and a brim at the other end.
  • baffle cooling openings may be provided in the tubular section, so that parts of one or both side walls are bounce-coolable.
  • the throttle element may have a defined Have thickness that allows an oblique separation of the cooling air openings to the vertical axis of the cooling channel. This is another possibility of optimized cooling downstream of the throttle plate possible.
  • the invention relates to a turbine blade for a thermal turbomachine, comprising a hot air flowable airfoil having a suction side wall and a pressure side sidewall, viewed in a main flow direction of the hot gas, from a common leading edge to a trailing edge and along one in a longitudinal axis substantially perpendicular to the main flow direction, extending from a first end of the airfoil to a second end of the airfoil opposite thereto, wherein in the airfoil interior at least one cavity is provided, which is bounded by a plurality of inner surfaces, of which a first side wall inner surface at least a part of a the two side walls and having a feed side through which a cooling medium can be flowed into the cavity from outside the turbine blade, wherein the turbine blade at the feed side a throttle element with the at least one opening.
  • the at least one opening is arranged as a first opening closer to the first side wall inner surface than on the inner surface, the first side wall inner surface opposite.
  • FIG. 1 shows a partial perspective sectional view of a turbine blade 10, which along a virtual longitudinal axis 12 in succession comprises: an aerodynamically curved airfoil 14, a platform 16 and a fir-tree-shaped blade root 18.
  • the airfoil 14 includes a pressure-side side wall 20 and a suction-side side wall 22, which along a Main flow direction of a hot gas from a common front edge, not shown, to a trailing edge 24 extend.
  • Parallel to the longitudinal axis 12, the airfoil 14 extends from a first, platform-proximal end 26 to an opposite end, which is also not shown.
  • the opposite end is also referred to as the blade tip, on which, if appropriate, a platform referred to as shroud can be arranged.
  • the blade 14 is hollow and has two cavities 28, 30 according to this embodiment. Both cavities 28, 30 serve as cooling channels and are via a deflection, not shown, which is provided on the blade tip, fluidly connected to each other. Due to a rib 32 extending between the pressure-side side wall 20 and the suction-side side wall 22, the two cavities 28, 30 are separated from one another in the airfoil away from the deflection and also in the area of the blade root 18.
  • the cavity 28 has at its entrance to a feed side 34, on which a throttle element 36 is arranged.
  • the throttle element 36 is attached to the remainder of the turbine blade, the cast blade body, in a conventional manner, such as by a welded joint. At the same time, the throttle element 36 has two openings 38, through which the cavity 28 from the outside, a cooling medium K, preferably cooling air, can be fed.
  • 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 cavity 28, the side walls 20, 22 flows cooling. Arrived at the blade tip, it flows through the deflection, so that it then flows into the cavity 30, with opposite flow direction with respect to the flow direction in the cavity 28. From the cavity 30, the cooling air flows through not further shown cooling air ducts 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 cavity 28 is bounded on the one hand by the inner surfaces 21, 23.
  • the inner surfaces 21, 23 extend from the Blade tip to the throttle element 36.
  • the cavity 28 is also bounded by the inner surface 25 of the rib 32. Another cavity 28 limiting surface is not shown.
  • first and second side wall inner surfaces 31st , 33 denotes, however, these may extend into the blade root.
  • the openings 38 are arranged closer than before to the side wall inner surfaces 31, 33. They are thus outside an imaginary center line 44, which is defined centrally between the two opposite side wall inner surfaces 31, 33.
  • the center line 44 coincides with the position of the longitudinal axis 12.
  • the inner surfaces 21, 23 are opposite each other and are separated by a distance H K , wherein the center line at H K / 2 can be found.
  • the apertures 38 are far enough away from the centerline 44 that their cross-sections are not cut from the centerline 44.
  • a sufficiently large displacement of the opening 38 is achieved from the center of the feed side, to prevent between inner surface 21, 23 and the opening 38, a sufficiently large space is present, in which the unwanted flow phenomena can form.
  • FIG. 2 in perspective partially sectioned view of a trained as a guide blade turbine blade 10th
  • this turbine blade 10 comprises a longitudinal axis 12, an airfoil 14, a platform 16 and a hook-shaped blade root 18.
  • the airfoil 14 is hollow and comprises at its first end 26 a feed side 34 for a cavity 28 can be supplied to the cooling medium K.
  • the feed side is only partially closed by a throttle element 36, since openings 38 are provided in the throttle element 36.
  • the openings 38 are arranged off-center, so that the minimum distance to the nearest side wall is substantially smaller than half of the distance H K of the two mutually opposite inner surfaces 21, 23rd
  • FIGS. 3, 4 show the usable for the turbine blades 10 throttle elements 36 with the openings 38 disposed therein in two embodiments.
  • the throttle element 36 has a plurality of openings 38, which have a circular flow cross-section.
  • the openings 38 are slot-shaped and curved in such a way that they follow the inner surfaces 21, 23 of the side walls 20, 22 to be cooled. Subsequently, the slot-shaped openings 38 are also referred to as slots 45.
  • the throttle elements 36 in the plan view of a sector-shaped shape.
  • this is only exemplary and not mandatory, since basically their shape depends on the shape of the cavity entrance in the cast turbine blade 10.
  • a center line 44 is defined, the points are each equidistant at a perpendicular distance to both inner surfaces 21, 23.
  • the openings 38 are arranged comparatively close to the inner surfaces 21, 23, ie the openings 38 are arranged eccentrically such that their opening cross-sections do not affect or intersect the center line 44.
  • the value for the mean distance H K for example, between 1 cm and 4 cm for the wall thickness WS of the throttle element, for example, between 0.5 mm and 2 mm.
  • the parameters should correspond to the values or conditions given in Table 2: Table 2: preferred values for an above-average cooled turbine blade.
  • Table 2 preferred values for an above-average cooled turbine blade.
  • H K set H K set WS set WS set a ⁇ 0.35 ⁇ H K a ⁇ 0.35 ⁇ H K d ⁇ 0.1 ⁇ H K s 0.1 ⁇ H K ⁇ s ⁇ 0.2 H K t ⁇ 0.25 d Z 1 ⁇ 0.25 d Z 1 ⁇ 1 ⁇ WS Z 2 ⁇ 0.25 d Z 2 ⁇ 0.5 WS
  • FIG. 5 is a further embodiment of a turbine blade 110 shown in fragmentary and purely schematic.
  • throttle element 136 is profiled so that its longitudinal section corresponds to the diagram after the longitudinal section through a cylinder hat.
  • the throttle element 136 is configured in the shape of a cylinder hatch and thus comprises a tubular section 137 whose first end is bounded by a cover 139 and at the second end opposite the first end a circumferential collar is provided.
  • the collar or the rim 141 serves for fastening the throttle element 136 to the remaining turbine blade 110.
  • the tubular section 137 extends into the cavity 128 with a length H.
  • Impact cooling openings 143 are provided in the tubular portion 137, the tubular portion being preferably not circular in cross-section, but the cross-sectional contour of the cavity 128 as seen in FIGS FIGS. 3 and 4 shown in dashed line form, resembles.
  • the area G of the airfoil is plumpable.
  • Circular openings 38 and slots 45 may be arranged above in order to make a region M of the airfoil convectively coolable, as seen downstream of region G in the flow direction of a cooling medium K.
  • Table 4 preferred values for an above-average cooled turbine blade with a hatch-shaped throttle element.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (110) für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt (14), das eine saugseitige Seitenwand (20) und eine druckseitige Seitenwand (22) aufweist, die in einer Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet, sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse (12), sich von einem ersten Ende (26) des Schaufelblattes (14) zu einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblattes erstreckt, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23, 25) begrenzt ist, von denen eine als erste Seitenwandinnenfläche (31) zumindest ein Teil einer der beiden Seitenwände (20, 22) ist und der eine Zuführseite (34) aufweist, durch die ein Kühlmedium K von außerhalb der Turbinenschaufel (10) in den Hohlraum (28) einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel (10) an der Zuführseite (34) ein Drosselelement (36, 136) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst. Um eine effiziente Zuführung von Kühlluft in das Schaufelinnere bereitzustellen, bei der seitenwandnahe Rezirkulationen von Kühlluft und sog. Totwassergebiete weitestgehend vermieden werden, wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Öffnung (38) als erste Öffnung näher an der ersten Seitenwandinnenfläche (21) angeordnet ist als an derjenigen Innenfläche, die der ersten Seitenwandinnenfläche (21) gegenüberliegt.

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 gegenüberliegendem zweiten Ende des Schaufelblatts erstrecken, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum 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 eine Zuführseite aufweist, durch die ein Kühlmedium von außerhalb der Turbinenschaufel in den Hohlraum einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel an der Zuführseite ein Drosselelement mit zumindest einer Öffnung umfasst.
  • 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 Drosselblech sind zwei Drossellöcher vorgesehen, deren Position wahlfrei erscheint.
  • 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.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel, deren Drosselplatte eine verbesserte Kühlung ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.
  • Erfindungsgemäß ist für eine eingangs genannte Turbinenschaufel vorgesehen, dass die zumindest eine Öffnung als erste Öffnung näher an der ersten Seitenwandinnenfläche angeordnet ist als an derjenigen Innenfläche, die der ersten Innenwandseitenfläche gegenüber liegt.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei mittig angeordneten Öffnungen im Drosselelement die Kühlluft nicht gleichmäßig verteilt in den Eingangsquerschnitt des Hohlraums eintritt, sondern eher punktuell über lokale Positionen mit einem hohen Impuls. Seitlich dieser lokalen Positionen treten unmittelbar stromab des Drosselelements am Kanaleintritt so genannte Totwassergebiete bzw. Rezirkulationsgebiete mit geringen Reynoldszahlen auf, die im Kühlkanal einen geringeren Wärmeübergang hervorrufen.
  • Durch die erfindungsgemäße Verlagerung der Öffnungen des Drosselelementes hin zu den thermisch hoch belasteten Seitenwänden kann eine verbesserte Kühlluftverteilung am teilweise abgedeckten Öffnungsquerschnitt des Hohlraums erreicht werden. Durch die wandnahe Platzierung der Öffnungen des Drosselelementes wird der Abstand zwischen der zu kühlenden Seitenwandinnenfläche und dem nächstliegenden Rand der betreffenden Öffnung verringert, so dass der Raum für Totwasser- bzw. Rezirkulationsgebiete signifikant verkleinert wurde. Dementsprechend sind die Ausprägungen dieser Strömungsphänomene geringer, verglichen mit den im Stand der Technik bekannten Drosselelementen. Dies erhöht dort den Wärmeübergang, wodurch die Seitenwände auch bereits unmittelbar stromab des Drosselelementes von dem hindurchtretenden Kühlmedium effizienter als bisher gekühlt werden können. Die gezielte Kühlung der thermisch hoch belasteten Stellen kann die Lebensdauer der Turbinenschaufel verlängern und/oder ggf. das Entstehen von Defekten wie Rissen oder dergleichen verzögern.
  • Im Umkehrschluss kann aber ebenso eine ggf. unerwünschte starke Kühlung der Rippen des Schaufelblatts im Plattformbereich vermieden werden, was ebenso die thermomechanische Belastung reduzieren kann.
  • Diese Erfindung ermöglicht zudem die gezielte Verwendung des positiven Effekts einer Vergleichmäßigung der Strömung am Hohlraumeingang, womit eine starke oder eine schwache Kühlung in diesem Bereich des Kühlkanals eingestellt werden kann, je nach Design-Anforderung.
  • Im Sinne dieser Erfindung ist eine Öffnung dann näher an der ersten Seitenwandinnenfläche als an der ihr gegenüberliegenden Innenfläche angeordnet, wenn der Flächenschwerpunkt der betreffenden Öffnung näher an der besagten Seitenwandinnenfläche als an der ihr gegenüberliegenden Innenfläche angeordnet ist.
  • Die in dem Drosselelement vorgesehenen Öffnungen können eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise können sie kreisförmig sein, schlitzförmig oder auch elliptisch. Insbesondere Schlitze, die der Krümmung der Seitenwand bzw. der Krümmung der Seitenwandinnenfläche folgen, sind vorteilhaft, da sie gegenüber mehreren diskreten Bohrungen eine homogenere Massenstromverteilung längs der Seitenwandfläche erzeugen. Hierdurch lässt seine eine lückenlose Einströmung bei Hohlräumen bzw. Kühlkanälen mit stark gekrümmten Seitenwänden, wie sie beispielsweise bei Leitschaufeln auftreten können, bereitstellen.
  • Da bekanntermaßen die erfindungsgemäße Turbinenschaufel einerseits einen Grundkörper umfasst, der zumeist in einem Gießverfahren hergestellt worden ist und der neben dem Schaufelblatt auch eine Plattform und einen zur Befestigung vorgesehenen Schaufelfuß umfasst, kann ein erfindungsgemäßes, separat hergestelltes Drosselelement auch als Nachrüstlösung für bereits bestehende Turbinenschaufeln verwendet werden.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie definierbar, wobei die zumindest eine Öffnung als erste Öffnung in Bezug zur Mittellinie außermittig angeordnet ist.
  • Mit anderen Worten wird hierrunter eine Öffnung verstanden, deren Öffnungsfläche von der Mittellinie nicht geschnitten wird. Hierdurch wird eine Lage der Öffnung in Bezug auf die Seitenwandinnenfläche angegeben, die die besagte Öffnung derartig nah an die Seitenwandinnenfläche positioniert, dass Rezirkulations- und Totwassergebiete auf eine technisch akzeptable Größe verkleinert werden können.
  • Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung ist die der ersten Seitenwandinnenfläche gegenüberliegende Innenfläche als zweite Seitenwandinnenfläche zumindest ein Teil der Innenfläche der anderen der beiden Seitenwände.
  • In diesem Fall sind vorzugsweise im Drosselelement zweite Öffnungen vorgesehen, wobei die erste(n) Öffnung(en) und die zweite(n) Öffnung(en) derart angeordnet sind, dass die erste(n) Öffnung(en) näher an der ersten Seitenwandinnenfläche als an der zweiten Seitenwandinnenfläche und die zweite(n) Öffnung(en) näher an der zweiten Seitenwandinnenfläche als an der ersten Seitenwandinnenfläche angeordnet sind. Mithin wird für jede zu kühlende Seitenwand eine lokal zu ihr hin verschobene Öffnung zur Zuführung vom Kühlmedium bereitgestellt, so dass beide thermisch belastete Seitenwände auch drosselelementnah vom einströmenden Kühlmedium effizient kühlbar sind.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie definierbar, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung in Bezug zur Mittellinie jeweils außermittig angeordnet sind.
  • Zweckmäßigerweise können mehrere erste Öffnungen bzw. mehrere zweite Öffnungen vorgesehen sein. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel als Leitschaufel oder auch als Laufschaufel einer thermischen Strömungsmaschine ausgestaltet sein. Bei Leitschaufeln ist das Drosselelement zumeist an einem der Enden des Schaufelblatts befestigt, wohingegen bei Laufschaufeln das Drosselelement an einer Unterseite eines Schaufelfußes der Laufschaufel befestigt ist. In diesem Fall erstreckt sich der Hohlraum nicht nur durch das Schaufelblatt der Laufschaufel, sondern auch durch dessen Schaufelfuß. Insofern ist in dieser Anmeldung die Hohlraumbegrenzung durch Innenflächen so zu verstehen, dass diese sich auch durch einen Teil des Schaufelfußes erstrecken können. Aufgrund der längeren Einlaufstrecke des Hohlraums einer Laufschaufel eignet sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Drosselelements jedoch eher für Leitschaufeln.
  • Zweckmäßigerweise ist das Drosselelement plattenförmig. In diesen Fall dient es lediglich zur Einstellung der einströmbaren Kühlmediummenge. Alternativ dazu kann das Drosselelement zylinderhutförmig ausgestaltet sein. Unter zylinderhutförmig wird dabei nicht ein kreisrundes, sondern ein Drosselelement verstanden, welches einen rohrförmigen Abschnitt mit beliebiger Querschnittskontur umfasst, der an einem Ende einen Deckel und am anderen Ende eine Krempe aufweist. In diesem Fall können im rohrförmigen Abschnitt Prallkühlöffnungen vorgesehen sein, damit Teile einer oder beider Seitenwände prallkühlbar sind. Dies hat den Vorteil, dass das Schaufelblatt im Bereich des zylinderförmigen Drosselelements durch Prallkühlung besonders effizient und der restliche Teil des Schaufelblatts konventionell durch Konvektion kühlbar ist. Des Weiteren kann das Drosselelement eine definierte Dicke besitzen, die eine schräge Abordnung der Kühlluftöffnungen zur vertikalen Achse des Kühlkanals ermöglicht. Damit ist eine weitere Möglichkeit der optimierten Kühlung stromab der Drosselplatte möglich.
  • Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenschaufel für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt, das eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die in einer 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 Schaufelblattes zu einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblattes erstreckt, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen begrenzt ist, von denen eine als erste Seitenwandinnenfläche zumindest ein Teil einer der beiden Seitenwände ist und der eine Zuführseite aufweist, durch die ein Kühlmedium von außerhalb der Turbinenschaufel in den Hohlraum einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel an der Zuführseite ein Drosselelement mit zumindest einer Öffnung umfasst. Um eine effiziente Zuführung von Kühlluft in das Schaufelinnere bereitzustellen, bei der seitenwandnahe Rezirkulationen von Kühlluft und sog. Totwassergebiete weitestgehend vermieden werden, wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Öffnung als erste Öffnung näher an der ersten Seitenwandinnenfläche angeordnet ist als an derjenigen Innenfläche, die der ersten Seitenwandinnenfläche gegenüberliegt.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, ausgebildet als Laufschaufel, in einer teilgeschnittenen perspektivischen Ansicht,
    Figur 2
    eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, ausgestaltet als Leitschaufel, in einer teilgeschnittenen perspektivischen Darstellung,
    Figur 3
    die schematische Darstellung eines Drosselelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit kreisförmigen Öffnungen sowie
    Figur 4
    das Drosselelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit gekrümmten schlitzförmigen Öffnungen und
    Figur 5
    in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine Turbinenschaufel mit einem Drosselelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Figur 1 zeigt in teilperspektivischer Schnittdarstellung eine Turbinenschaufel 10, welche entlang einer virtuellen Längsachse 12 aufeinanderfolgend aufweist: ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 14, eine Plattform 16 sowie einen tannenbaumförmigen Schaufelfuß 18. Das Schaufelblatt 14 umfasst eine druckseitige Seitenwand 20 sowie eine saugseitige Seitenwand 22, die sich entlang einer Hauptströmungsrichtung eines Heißgases von einer nicht gezeigten gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante 24 erstrecken. Parallel zur Längsachse 12 erstreckt sich das Schaufelblatt 14 von einem ersten, plattformnahen Ende 26 zu einem gegenüberliegenden Ende, welches ebenso nicht dargestellt ist. Das gegenüberliegende Ende wird auch als Schaufelblattspitze bezeichnet, an der ggf. ebenfalls eine als Deckband bezeichnete Plattform angeordnet sein kann. Das Schaufelblatt 14 ist hohl ausgebildet und weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwei Hohlräume 28, 30 auf. Beide Hohlräume 28, 30 dienen als Kühlkanäle und sind über eine nicht dargestellte Umlenkung, die an der Schaufelblattspitze vorgesehen ist, strömungstechnisch miteinander verbunden. Aufgrund einer sich zwischen der druckseitigen Seitenwand 20 und der saugseitigen Seitenwand 22 erstreckenden Rippe 32 sind die beiden Hohlräume 28, 30 im Schaufelblatt abseits der Umlenkung und auch im Bereich des Schaufelfußes 18 voneinander getrennt. Der Hohlraum 28 weist an seinem Eingang eine Zuführseite 34 auf, an der ein Drosselelement 36 angeordnet ist. Das Drosselelement 36 ist an der restlichen Turbinenschaufel, dem gegossenen Schaufelgrundkörper, in konventioneller Weise befestigt, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Gleichzeitig weist das Drosselelement 36 zwei Öffnungen 38 auf, durch welche dem Hohlraum 28 von außen ein Kühlmedium K, vorzugsweise Kühlluft, zuführbar ist.
  • 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 Hohlraums 28 die Seitenwände 20, 22 kühlend strömt. An der Schaufelblattspitze angelangt, durchströmt es die Umlenkung, so dass es anschließend in den Hohlraum 30 einströmt, mit entgegengesetzter Strömungsrichtung in Bezug auf die Strömungsrichtung im Hohlraum 28. Vom Hohlraum 30 aus strömt die Kühlluft durch nicht weiter gezeigte Kühlluftkanäle 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.
  • Der Hohlraum 28 wird einerseits von den Innenflächen 21, 23 begrenzt. Die Innenflächen 21, 23 erstrecken sich von der Schaufelblattspitze bis zum Drosselelement 36. Desweiteren wird der Hohlraum 28 auch von der Innenfläche 25 der Rippe 32 begrenzt. Eine weitere den Hohlraum 28 begrenzende Fläche ist nicht dargestellt.
  • Um einerseits zwischen denjenigen Innenflächen 21, 23, die Teil einer dem Heißgas ausgesetzten Seitenwand sind, und andererseits denjenigen Innenflächen 25, die Teil einer nicht zu kühlenden Wand - hier Rippe 32 - sind, zu unterscheiden, werden erstere nachfolgend als erste und zweite Seitenwandinnenflächen 31, 33 bezeichnet, gleichwohl sich diese bis in den Schaufelfuß hinein erstrecken können.
  • Zuführungsseitig sind die Öffnungen 38 näher als bisher an den Seitenwandinnenflächen 31, 33 angeordnet. Sie liegen somit außerhalb einer gedachten Mittellinie 44, die mittig zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Seitenwandinnenflächen 31, 33 definiert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel fällt die Mittellinie 44 mit der Position der Längsachse 12 zusammen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Innenflächen 21, 23 einander gegenüber und sind durch einen Abstand HK voneinander getrennt, wobei die Mittellinie bei HK/2 zu finden ist.
  • Mithin sind die Öffnungen 38 soweit von der Mittellinie 44 entfernt, dass ihre Querschnitte von der Mittellinie 44 nicht geschnitten werden. Damit wird eine hinreichend weite Verschiebung der Öffnung 38 aus der Mitte der Zuführseite erreicht, um zu verhindern, dass sich zwischen Innenfläche 21, 23 und der Öffnung 38 ein hinreichend großer Raum vorhanden ist, in dem sich die ungewünschten Strömungsphänomene ausbilden können.
  • In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten als Laufschaufel ausgebildeten Turbinenschaufeln 10 zeigt die Figur 2 in perspektivischer teilgeschnittener Darstellung eine als Leitschaufel ausgebildete Turbinenschaufel 10.
  • In Analogie zu der in Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel 10 umfasst diese Turbinenschaufel 10 eine Längsachse 12, ein Schaufelblatt 14, eine Plattform 16 und einen hakenförmig ausgeführten Schaufelfuß 18. Das Schaufelblatt 14 ist hohl ausgeführt und umfasst an seinem ersten Ende 26 eine Zuführseite 34 für ein dem Hohlraum 28 zuführbares Kühlmedium K. Die Zuführseite ist durch ein Drosselelement 36 nur teilweise verschlossen, da in dem Drosselelement 36 Öffnungen 38 vorgesehen sind. In Bezug auf die beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23 sind die Öffnungen 38 außermittig angeordnet, so dass der minimale Abstand zur nächstliegenden Seitenwand wesentlich kleiner ist als die Hälfte des Abstands HK der beiden aneinander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23.
  • Die Figuren 3, 4 zeigen die für die Turbinenschaufeln 10 verwendbaren Drosselelemente 36 mit den darin angeordneten Öffnungen 38 in zwei Ausführungsbeispielen. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist das Drosselelement 36 mehrere Öffnungen 38 auf, die einen kreisrunden Durchströmungsquerschnitt besitzen. Gemäß dem zweiten, in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, sind die Öffnungen 38 schlitzförmig und derart gekrümmt, dass sie den Innenflächen 21, 23 der zu kühlenden Seitenwände 20, 22 folgen. Nachfolgend werden die schlitzförmigen Öffnungen 38 auch als Schlitze 45 bezeichnet.
  • Bei beiden Ausführungsbeispielen weisen die Drosselelemente 36 in der Draufsicht eine sektorförmige Gestalt auf. Dies ist jedoch nur beispielhaft und nicht zwingend, da im Grunde deren Gestalt sich nach der Gestalt des Hohlraumeingangs in der gegossenen Turbinenschaufel 10 richtet.
  • In beiden Figuren sind die den Hohlraum 28 begrenzenden Innenflächen 21, 23, 25 bzw. Seitenwandinnenflächen 31, 33 in gestrichelter Linienform dargestellt. Zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23, die zumindest teilweise den Seitenwänden 20 bzw. 22 zuzuordnen sind, ist eine Mittellinie 44 definierbar, deren Punkte im senkrechten Abstand zu beiden Innenflächen 21, 23 jeweils gleichweit entfernt sind. Wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich, sind die Öffnungen 38 vergleichsweise nahe an den Innenflächen 21, 23 angeordnet, d.h. die Öffnungen 38 sind derartig außermittig angeordnet, dass deren Öffnungsquerschnitte die Mittellinie 44 weder tangieren noch schneiden.
  • Für die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele des Drosselelements 36 lassen sich folgende Parameter definieren:
    • eine mittlere Kanalhöhe HK als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittellinie 44 senkrechten Abstands zwischen einer Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden (Seitenwand-)Innenfläche,
    • ein Lochabstand a als Abstand zwischen der Mittellinie 44 und dem Mittelpunkt der kreisrunden Öffnung 38, bzw. dem Rand der schlitzförmigen Öffnung 38,
    • ein minimaler Lochabstand t zwischen zwei ersten bzw. zwischen zwei zweiten Öffnungen,
    • ein Öffnungsdurchmesser d der kreisrunden Öffnung 38,
    • eine Schlitzbreite s,
    • ein erster Abstand Z1 als Abstand der Öffnungen 38 zu derjenigen Innenfläche, deren Wand nicht von Heißgas umströmt wird, sprich, die Innenflächen der Rippe 32 und
    • ein zweiter Abstand Z2 als Abstand der Öffnung 38 zur Innenfläche 21, 23 sowie
    • die Wandstärke WS des Drosselelements (vgl. Figur 1, Figur 2) .
  • 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 HK ein vorgegebener Wert.
  • So kann der Wert für den mittleren Abstand HK beispielsweise zwischen 1 cm und 4 cm für die Wandstärke WS des Drosselelements beispielsweise zwischen 0.5 mm und 2 mm liegen.
  • Untersuchungen haben ergeben, dass seitlich der Öffnungen und unmittelbar stromab des Drosselelements eine Kühlmittelströmung mit nur geringer Rezirkulation und höheren Reynoldszahlen für eine durchschnittlich zu kühlende Turbinenschaufel 10 auftreten, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen: Tabelle 1: bevorzugte Werte für eine durchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel.
    Für Öffnungen in Kreisform Für Öffnungen in Schlitzform
    HK vorgegeben HK vorgegeben
    WS vorgegeben WS vorgegeben
    a ≥ 0.2·HK A ≥ 0.2 HK
    d ≤ 0.5·HK - 2·Z2 s ≤ 0.5·HK - 2·Z2
    t ≥ 0.25 d
    Z1 ≥ 0.25 d Z1 ≥ 1·WS
    Z2 ≥ 0.25 d Z2 ≥ 0.5·WS
  • Für eine vergleichsweise stark gekühlte Turbinenschaufel sollten die Parameter den in der Tabelle 2 genannten Werten bzw. Bedingungen entsprechen: Tabelle 2: bevorzugte Werte für eine überdurchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel.
    Für Öffnungen in Kreisform Für Öffnungen in Schlitzform
    HK vorgegeben HK vorgegeben
    WS vorgegeben WS vorgegeben
    a ≥ 0.35·HK a ≥ 0.35·HK
    d ≤ 0.1·HK s 0.1·HK ≤ s ≤ 0.2 HK
    t ≥ 0.25 d
    Z1 ≥ 0.25 d Z1 ≥ 1·WS
    Z2 ≥ 0.25 d Z2 ≥ 0.5 WS
  • In der Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel 110 ausschnittsweise und rein schematisch gezeigt. Dessen Drosselelement 136 ist so profiliert, dass dessen Längsschnitt dem Schema nach dem Längsschnitt durch einen Zylinderhut entspricht. Mit anderen Worten: das Drosselelement 136 ist zylinderhutförmig ausgestaltet und umfasst somit einen rohrförmigen Abschnitt 137, dessen erstes Ende durch einen Deckel 139 begrenzt und an dessen dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende ein umlaufender Kragen ist Form einer Krempe 141 vorgesehen ist. Der Kragen bzw. die Krempe 141 dient zur Befestigung des Drosselelements 136 an der restlichen Turbinenschaufel 110. Dabei erstreckt sich der rohrförmige Abschnitt 137 mit einer Länge H in den Hohlraum 128 hinein. Im rohrförmigen Abschnitt 137 sind Prallkühlöffnungen 143 vorgesehen, wobei der rohrförmige Abschnitt im Querschnitt betrachtet vorzugsweise nicht kreisrund ist, sondern der Querschnittskontur des Hohlraums 128, wie sie in den Figuren 3 und 4 in gestrichelter Linienform dargestellt ist, ähnelt.
  • Aufgrund der zylinderhutförmigen Gestalt und der Prallkühlöffnungen 143 ist der Bereich G des Schaufelblatts prallkühlbar.
  • Im Deckel 139 können die aus den Figuren 3 und 4 oben angegebenen kreisrunden Öffnungen 38 und Schlitze 45 angeordnet sein, um einen - dem Bereich G in Strömungsrichtung eines Kühlmedium K gesehen stromab folgenden - Bereich M des Schaufelblatts konvektiv kühlbar auszugestalten.
  • Für das in der Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel des Drosselelements 136 lassen sich weitere Parameter definieren:
    • ein Durchmesser D der Prallkühlöffnungen 143,
    • Prallkühllänge H des rohrförmigen Abschnitts 137, erfasst zwischen der Zuführseite 34 und seinem Deckel 139,
    • ein dritter Abstand h1 als Abstand zwischen dem Deckel 139 und der daran nächstliegenden Reihe 147 an Prallkühlöffnungen 143,
    • ein vierter Abstand hxi als Abstand zwischen zwei Reihen von Prallkühlöffnungen 143 sowie
    • ein fünfter Abstand z als Abstand zwischen der Innenfläche 21, 23 und dem rohrförmigen Abschnitt 137,
    • die mittlere Kanalhöhe HK als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittellinie 44 senkrechten Abstands zwischen einer Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden (Seitenwand-)Innenfläche,
    • ein sechster Abstand b1 als Abstand zwischen der Mittellinie 44 und dem Rand der zur Mittelline nächstliegenden Öffnung 38,
    • ein siebter Abstand b2 als Abstand zwischen der zur Mittelline nächsten Öffnung 38 und dem äußeren Rand des rohrförmigen Abschnitts 137,
    • ein achter Abstand t1 als Abstand zwischen dem äußeren Rand des rohrförmigen Abschnitts 137 und der Mitte der zuäußerst angeordneten Öffnung 38,
    • ein neunter Abstand txi als Abstand zwischen der zuäußerst angeordneten Öffnung 38, und der nächstinneren Öffnung 38,
    • eine Öffnungsweite d1 als Durchmesser derjenigen kreisrunden Öffnung 38 bzw. als Schlitzbreite d1 (vgl. Parameter s) derjenigen Schlitze 45, die - in Bezug auf die Mittellinie 44 - am weitesten außen angeordnet sind,
    • ein Öffnungsweite dxi als Durchmesser derjenigen kreisrunden Öffnung 38 bzw. als Schlitzbreite dxi (vgl. Parameter s) derjenigen Schlitze 45, die weiter innen - in Bezug auf die Mittellinie 44 - angeordnet sind,
    • die Wandstärke WS des Drosselelements.
  • Untersuchungen haben ergeben, dass die ungewünschten Strömungsphänomene wie Rezirkulations- und Totwassergebiete in einem hinreichenden Maße bei einer durchschnittlich prall- und konvektiv zu kühlenden Turbinenschaufel 110 vermieden werden können, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen: Tabelle 3: bevorzugte Werte für eine durchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel mit einem zylinderhutförmigen Drosselelement.
    Für den Prallkühlabschnitt D Für den konvektiv gekühlten Abschnitt K
    WS vorgegeben HK vorgegeben
    d > 0.8 mm & < 1.6 mm b1 ≥ 0.2·HK
    H ≥ 2·d b2 ≥ 0.5·HK - b1 - z
    h1 ≥ 1·d d1 ≤ (b2 - WS)
    hxi ≥ 1·d dxi ≤ (b2 - WS)
    z z/d < 4.5 t1 ≥ 0.5·d1 + 1·WS
    txi ≥ 0.5·dxi + 1·WS
  • Für eine vergleichsweise stark prall- und konvektiv gekühlte Turbinenschaufel 110 sind die in der Tabelle 2 genannten Werte bzw. Bedingungen besonders vorteilhaft. Tabelle 4: bevorzugte Werte für eine überdurchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel mit einem zylinderhutförmigen Drosselelement.
    Für den Prallkühlabschnitt D Für den konvektiv gekühlten Abschnitt M
    WS vorgegeben HK vorgegeben
    d = 0.8 mm b1 ≥ 0.25·HK
    H ≥ 10 d b2 ≥ 0.5·Hk - b1 - z
    h1 ≥ 1 d d1 ≤ 0.15· HK
    hxi = 1 d (sechs Öffnungen 38) dxi ≤ 0.1· HK
    z z/d = 1.5 t1 ≥ 0.5·d1 + 1·WS
    txi ≥ 0.5·dxi + 1·WS

Claims (10)

  1. Turbinenschaufel (110) für eine thermische Strömungsmaschine,
    umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt (14) , das eine saugseitige Seitenwand (20) und eine druckseitige Seitenwand (22) aufweist, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse sich von einem ersten Ende (26) des Schaufelblatts (14) zu einem diesen gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblatts (14) erstrecken,
    wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23, 25) begrenzt ist, von denen zumindest eine als erste Seitenwandinnenfläche (31) zumindest teilweise die Innenseite einer der beiden Seitenwände (20, 22) ist, und der eine Zuführseite (34) aufweist, durch die ein Kühlmedium (K) von außerhalb in den Hohlraum (28, 128) einströmbar ist,
    wobei die Turbinenschaufel (10) an der Zuführseite (34) ein Drosselelement (36, 136) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zumindest eine Öffnung (38) als erste Öffnung (41) näher an der ersten Seitenwandinnenfläche (31) angeordnet ist als an der derjenigen Innenfläche, die der ersten Seitenwandinnenfläche (31) gegenüber liegt.
  2. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 1,
    bei der zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche (31) und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie (44) definierbar ist und die erste Öffnung (31) in Bezug zur Mittellinie (44) außermittig angeordnet ist.
  3. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der die der ersten Seitenwandinnenfläche (31) gegenüberliegende Innenfläche als zweite Seitenwandinnenfläche (33) zumindest ein Teil der Innenfläche (23) der anderen der beiden Seitenwände (20, 22) ist.
  4. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 3,
    bei der das Drosselelement (36) eine zweite Öffnung (38) aufweist, wobei die erste Öffnung (41) und die zweite Öffnung (43) derart angeordnet sind, dass die erste Öffnung (41) näher an der ersten Seitenwandinnenfläche (31) als an der zweiten Seitenwandinnenfläche (33) und die zweite Öffnung (43) näher an der zweiten Seitenwandinnenfläche (33) als an der ersten Seitenwandinnenfläche (31) angeordnet sind.
  5. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche (31) und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie (44) definiert ist und die erste Öffnung (41) und die zweite Öffnung (43) in Bezug zur Mittellinie (44) jeweils außermittig angeordnet ist.
  6. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der mehrere erste Öffnungen (41) bzw. mehrere zweite Öffnungen (43) vorgesehen sind.
  7. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der die betreffende Öffnung (38) kreisförmig, schlitzförmig, elliptisch ist.
  8. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der das Drosselelement (36) plattenförmig ist.
  9. Turbinenschaufel (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    bei der das Drosselelement (136) zylinderhutförmig ausgestaltet ist.
  10. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 9,
    bei der das Drosselelement (136) Prallkühlöffnungen (143) zur teilweisen Prallkühlung der Seitenwände (20, 22) aufweist.
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