EP3216983A1 - Rotor blade for a gas turbine with cooled rubbing edge - Google Patents

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EP3216983A1
EP3216983A1 EP16159107.8A EP16159107A EP3216983A1 EP 3216983 A1 EP3216983 A1 EP 3216983A1 EP 16159107 A EP16159107 A EP 16159107A EP 3216983 A1 EP3216983 A1 EP 3216983A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
squealer
blade according
edge
recess
peripheral wall
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Withdrawn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
EP16159107.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Markus Gill
Christian Gindorf
Andreas Heselhaus
Robert Kunte
Marcel SCHLÖSSER
Andrew Carlson
Ross PETERSON
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 EP16159107.8A priority Critical patent/EP3216983A1/en
Priority to CN201790000656.0U priority patent/CN209976583U/en
Priority to PCT/EP2017/054734 priority patent/WO2017153219A1/en
Priority to EP17707889.6A priority patent/EP3400373B1/en
Priority to US16/081,205 priority patent/US11136892B2/en
Publication of EP3216983A1 publication Critical patent/EP3216983A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • 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
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • 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
    • F01D5/186—Film cooling
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the present invention relates to a rotor blade for a gas turbine, comprising a radially extending airfoil having an airfoil body having a peripheral wall with a pressure-side wall portion and a suction-side wall portion, a plate-shaped crown bottom connected in the region of the blade tip with the peripheral wall and a along the circumferential wall extending squealer, wherein the peripheral wall and the crown base define a cavity in the airfoil body, the squealer aligned on the outside with the peripheral wall and projects radially beyond the crown bottom and formed in the airfoil body cooling channels extending from the cavity to in the squealer extending cooling fluid outlet openings extend.
  • the gas turbine plant has a flow channel, in whose axial direction a turbine rotor is rotatably mounted.
  • This comprises a plurality of wheel disks, at the radially outer end surfaces of each of which a plurality of rotor blades in the form of a blade ring are arranged.
  • the rotor blades each have blade feet, which are inserted into one or more receiving grooves formed on the end faces of the wheel disks and fixed therein.
  • blade platforms are formed, from whose outer sides facing away from the wheel disc blades project into the flow channel.
  • the flow channel is traversed by the hot gas, the flowing hot gas impinging the blades with a force which, due to the shape of the airfoils, is converted to a torque acting on the turbine rotor which rotatably drives the turbine rotor.
  • an object is to provide blades that have sufficient mechanical strength for the operation of the gas turbine plant even at high thermal loads.
  • blades are provided with elaborate coating systems.
  • blades are cooled during operation of the gas turbine engine. For this purpose, in their interior cavities and cooling channels are formed, which are flowed through by a cooling fluid, usually air.
  • Common cooling methods include, for example, impingement cooling in which the cooling fluid is guided so as to impinge on the wall of the airfoil from the inside, or the film cooling in which the cooling fluid flows outwardly from the interior of the airfoil by cooling holes formed in the airfoil body on the outside of which to form a cooling film.
  • Common cast airfoils each include a hollow airfoil body which is closed in the region of the blade tip by a so-called crown bottom. Further, in the region of the blade tip, the blade body carries a squeal edge which is integrally molded on the outside of the airfoil body and protrudes along the outer contour of the peripheral wall of the airfoil body in the radial direction.
  • the turbine runner may creep out of its original central position, increase the length of the blades due to centrifugal force, or ovalize an originally circular flow channel.
  • These effects result from setting and / or elongation due to thermal stress from the hot gas and / or from rotational centrifugal forces or gravity.
  • the thus caused contact between the end faces of the squealer edges and the channel wall leads to a friction-related removal of material in the form of metal dust or metal chips from the squealer edges.
  • the cooling fluid outlet openings may become clogged with the removed airfoil material, thereby impairing or preventing cooling of the squealer edges.
  • the inadequate cooling of the squealer edges results in higher wear and consequently lower blade life.
  • the present invention provides a blade for a gas turbine of the type mentioned, in which in the end face of the squealer at least a recess is formed into which at least a part of the cooling channels opens such that the cooling fluid outlet openings lie completely in a bottom region of the at least one depression.
  • the invention is based on the consideration to lower the cooling fluid outlet openings relative to the radial direction relative to the end face of the squealer. This is achieved according to the invention in that at least one depression is formed in the end face of the squealer edge and at least part of the cooling outlet openings are arranged completely in a bottom region of the at least one depression. In this way, the cooling fluid outlet openings are removed from the contact area between the end face of the squealer edge and the channel wall, whereby a clogging of the cooling fluid outlet openings with removed airfoil material is reduced or prevented. As a result, the cooling performance over the service life of the gas turbine plant is essentially maintained, which is associated with a correspondingly long life of the blades.
  • the bottom region of the at least one depression is arranged between the end face of the squealer edge and the outside surface of the crown base, in particular the bottom region being formed as a flat bottom surface having a depth opposite to the end face Range of 0.5 mm to 4.5 mmm and preferably in the range of 0.5 mm to 2.5 mm.
  • a radial position of the bottom region causes the cooling fluid outlet openings to be arranged in the immediate vicinity of the free end region of the squealer edge, as a result of which effective cooling of this area of the squealer edge can be ensured.
  • the small depth of the bottom surface of the recess opposite the end face is sufficient to prevent material particles removed from the end face from clogging the cooling fluid outlet openings, which is accompanied by a constant cooling capacity.
  • the squeal edge relative to the radial direction relative to the outer surface of the crown base, has a height which is in the range of 1 mm to 10 mm, advantageously in the range of 1.5 mm to 6 mm, and preferably 3.5 mm. In squiggings with a height in this range, wells of suitable depth can be easily formed.
  • an inner surface of the squealer edge is inclined outward with respect to the radial direction, the angle of inclination being measured in a radially extending plane perpendicularly intersecting the squealer edge, being in the range of 0 ° to 45 °, and preferably less than 30 °. Due to the inclination of the inner surface of the squealer edge, the squealer edge widened from the end face in the direction of the crown bottom. This improves the stability of the squealer edge and additionally improves the heat transfer between the squealer edge and the crown bottom or the circumferential wall.
  • the at least one depression extends to form a stepped cross section up to the inside of the squealer edge, wherein in particular a step corner of the cross section, preferably the inner corner is rounded.
  • at least one recess is open towards the inside.
  • Such depressions can already be easily produced during the casting of the airfoil body or only later, for example, by milling or erosion.
  • the end face of the squealer edge has a width that is less than the thickness of the peripheral wall of the airfoil body in the region of the at least one depression.
  • the end face of Abrading edge have a width which is smaller than the width of the bottom portion of the at least one recess. In this way, only a relatively narrow outer region of the squealer forms its radially outer end region.
  • the end face of the squealer edge and the bottom portion of the at least one recess together have a width which is approximately equal to the thickness of the peripheral wall of the airfoil body in the region of the at least one recess.
  • Such rubbing edges essentially represent a continuation of the peripheral wall of the airfoil body beyond the crown bottom.
  • the depression in the end face of the squealer edge may be formed as a groove while leaving out an outside end face section and an inside face face section, wherein in particular the inside corners of the depression are rounded off.
  • the width of the outside end surface portion and the width of the inside end surface portion of the squeal edge may each be in the range of 0.5 mm to 5 mm, and preferably at least 1 mm, the ratio between the outside width and the outside inside width in the range between 0.7 mm and 1.3 mm, in particular 0.9 and 1.1 and is preferably 1.
  • the peripheral wall tapers in the direction of the crown bottom in favor of the cavity, the thickness of the peripheral wall being reduced from an initial thickness to a tapered thickness which is at least half the initial thickness, and the tapering over a radial portion of the peripheral wall takes place, the height of which is at least five times and at most ten times as large as the initial thickness.
  • the cooling channels may be formed so that they extend closer to the outside of the squeal edge, which is accompanied by an improved convective cooling of the squealer.
  • the cooling fluid outlet openings are arranged next to one another and at a distance from each other, in particular equidistantly and / or along a line.
  • Such arranged cooling fluid outlet openings are particularly suitable to cool the squeal along its circumferential extent. In principle, however, the cooling fluid outlet openings can be distributed as desired.
  • the at least one depression can be provided only in a section of the squealer edge projecting from the suction-side wall section of the surrounding wall. In this way, the cooling of the protruding from the suction-side wall portion of the peripheral wall portion of the squealer can be improved.
  • a plurality of recesses arranged side by side in the circumferential direction can be provided, into each of which a part of the cooling channels opens and in particular each have at least one feature mentioned above.
  • Several recesses lead to a corresponding grouping of the cooling channels.
  • each cooling channel extends in a straight line and / or has a circular cross-section with a diameter which is in the range of 0.25 mm to 2 mm and is preferably 0.6 mm.
  • the cooling channels can be widened in the region of the cooling fluid outlet openings, wherein the widenings in particular have the shape of a cylinder whose height is at most five times, preferably as large as the diameter of the cooling channel and / or its diameter at most three times, preferably twice as large as that Diameter of the cooling channel.
  • Such expanded cooling fluid outlet openings can act as a diffuser and expand the exiting cooling fluid flow accordingly, so that according to the principle of film cooling, a large portion of the squealer can be cooled.
  • the cooling fluid outlet openings can also be widened in a conical, semi-conical or fan-like manner.
  • the cooling channels are formed as bores.
  • rectilinear cooling channels of circular cross-section can be easily inserted into a cast airfoil body.
  • the cooling channels relative to the radial direction are inclined transversely to the inner surface of the squealer, in particular, the inclination angle of the cooling channels, which are each measured in a radially extending plane which intersects the squeal edge perpendicular, equal to or approximately equal to the inclination angle of the inner surface the rubbing edge are.
  • Cooling channels with such an inclination guide the cooling fluid emerging from the cooling fluid outlet openings from the inside to the outer end area of the squealer edge.
  • each cooling channel is inclined relative to a plane perpendicular to the radial direction in the direction of the leading edge of the blade or in the direction of the trailing edge of the blade, the angle of inclination in the direction of the trailing edge of the blade and the angle of inclination in the direction of the leading edge of the blade in each case
  • Level which intersects the plane of measurement of the angle of inclination perpendicular, be measured in the range between 30 ° and 90 ° lie and preferably 45 °.
  • Cooling channels with such an inclination in the direction of the leading edge or in the direction of the trailing edge have a greater length, whereby the convective cooling of the squealer can improve. In addition, they can favorably influence the flow direction of the exiting cooling fluid. Cooling channels of different inclination directions can penetrate or intersect without penetration.
  • a transition region between an inner surface of the squealer edge and the outer surface of the crown base is rounded off. This improves the aerodynamic properties of the blade tip.
  • the blade body is produced by casting or in a generative process, in particular by means of 3D printing.
  • Casting has been found to be a suitable manufacturing process, in particular for cooled airfoils with a cavity in their interior.
  • generative processes are suitable for the production of airfoil bodies.
  • FIGS. 1 to 3 show a blade for a gas turbine according to a first embodiment of the present invention.
  • the blade includes an airfoil 1 extending in a radial direction R with a cast airfoil body 2.
  • the airfoil body 2 has a peripheral wall 3 having a pressure-side wall portion 3a and a suction-side wall portion 3b.
  • the airfoil body 2 comprises a plate-shaped crown base 4, which is connected to the peripheral wall 3 in the region of the blade tip 5.
  • the peripheral wall 3 and the crown bottom 4 define in the airfoil body 2 a cavity 6, which is flowed through during the operation of the gas turbine by a cooling fluid.
  • the airfoil body 2 comprises a squealer edge 7.
  • the squealer edge 7 extends along the peripheral wall 3 and is aligned on the outside with this.
  • the squealer edge 7 projects radially beyond the crown base 4 and has, relative to the radial direction R relative to the outer surface 4a of the crown base, a height h which is measured perpendicular to the outer surface 4a of the crown base and is about 3 mm.
  • An inner surface 7a of the squealer edge 7 is inclined relative to the radial direction R by an inclination angle ⁇ of approximately 25 °, which is measured in a plane extending in the radial direction (R), which intersects the squealer edge 7 perpendicularly.
  • a transition region 8 between the inner surface 7a of the squealer edge 7 and the outer surface 4a of the crown base 4 is rounded.
  • a recess 9 is formed, which extends to form a stepped cross-section to the inside of the squealer 7.
  • the inner corner 10 of the stepped cross section is rounded.
  • the bottom portion 9a of the recess 9 is formed as a flat bottom surface and arranged with respect to the radial direction R between the end face 7b of the squealer edge 7 and the outer surface 4a of the crown bottom 4.
  • the outer surface 4a of the crown base 4, the bottom surface 9a of the recess 9 and end face 7b of the squealer 7 extend parallel to each other and perpendicular to the radial direction R.
  • the recess 9 relative to the end face 7b has a depth h 1 , as vertical distance between the bottom surface 9a and the end face 7b is measured and is about 1 mm. Accordingly, the vertically measured height h 2 of the bottom surface of the recess 9 over the outer surface 4 a of the crown base 4 is about 2 mm.
  • the bottom surface 9 a of the recess 9 and the outer surface 4 a of the crown base 4 can also be inclined to each other and / or to the radial direction R, wherein the depth h 1 or the height h 2 then in each case based on the inner corner 10 are to be determined.
  • the end face 7b of the squealer 7 has a width a 1 , which is smaller than the thickness d 1 of the peripheral wall 3 of the airfoil body 2 in the region of the recess 9.
  • the width a 1 of the end face 7b of Sharp edge 7 in the region of the recess 9 is less than the width b 1 of the bottom portion 9a of the recess 9.
  • the end face 7b of the squealer 7 and the bottom portion 9a of the recess 9 have a width a 1 + b 1 , which is approximately equal to the thickness d 1 of the peripheral wall 3 of the airfoil body 2 in the region of the recess 9, wherein the thickness d 1 is measured as a vertical distance between the outer surface and the inner surface of the surrounding wall 3.
  • the widths a 1 and b 1 respectively parallel to each other and to the outer surface 4 a of the crown bottom 4 are measured.
  • Other embodiments of the present invention may have 1, which differ from the selected here relative proportions of the widths of a 1 and b 1 as well as the thickness d.
  • cooling channels 11 are formed, which extend from the cavity 6 to cooling fluid outlet openings 12 which are provided in the squealer 7.
  • the cooling channels 11 open into the recess 9 in such a way that the cooling fluid outlet openings 12 are arranged completely in the bottom area 9a of the recess 9.
  • the cooling fluid outlet openings 12 in the recess 9 are equidistant and arranged alongside one another along a line.
  • Each cooling channel 11 is formed as a bore and extends in a straight line. It has a circular cross section with a diameter of about 0.6 mm.
  • Each cooling passage 11 is inclined with respect to the radial direction R across the inner surface 7a of the squealer edge 7, wherein the inclination angles ⁇ of the cooling channels 11 each measured in a plane extending in the radial direction R are the squealer edge 7 intersects perpendicularly, approximately equal to the angle of inclination ⁇ of the inner surface 7a of the squealer edge 7.
  • the FIG. 4 shows a blade for a gas turbine according to a second embodiment of the present invention.
  • the structure of this blade is basically the structure of the in the FIGS. 1 to 3 illustrated first embodiment.
  • the cooling channels are widened in the region of the cooling fluid outlet openings.
  • the expanded cooling fluid opening 12a has the shape of a cylinder, the height h 5 is equal to the diameter of the cooling channel 11 and the diameter c 5 is twice as large as the diameter of the cooling channel 11, resulting in a cross-sectional area for the cylinder, which is four times as large is like the cross-sectional area of the cooling channel 11.
  • a widened cooling flow is generated in accordance with which a large area of the squealer edge 7 can be cooled.
  • the FIG. 5 shows a blade for a gas turbine according to a third embodiment of the present invention. It basically has the same structure as the one in the FIGS. 1 to 3 illustrated blade.
  • the recess 9 is formed as a groove leaving an outside end face portion and an inside end face portion, so does not extend to the inside of the squeal edge 7, but is also bounded on the inside by the squeal 7.
  • the outside end face 7b have a width a 2
  • the inside end face 7b has a width c 2
  • the bottom area 9a of the recess 9 has a width b 2 .
  • the FIG. 6 shows a blade for a gas turbine according to a fourth embodiment of the present invention. It differs from the previously described embodiments in that the circumferential wall 3 tapers in the direction of the crown base 4 in favor of the cavity 6.
  • the thickness of the peripheral wall 3 is reduced from an initial thickness d 1 to a tapered thickness d 2 , which is approximately half the initial thickness d 1 .
  • the taper takes place via a radial section of the circumferential wall 3, whose height 1 is approximately five times as great as the initial thickness d 1 .
  • the taper is linear, ie the inside of the peripheral wall 3 is flat and inclined relative to embodiments without tapering of the peripheral wall 3 by an angle ⁇ .
  • the bank angle ⁇ of the cooling channels 11 is selected smaller such that the cooling channels 11 extend closer to the outside of the squealer edge 7, whereby the convective cooling of the squealer edge 7 is improved.
  • the transition region to the crown bottom 4 is rounded, wherein the curvature is defined by a radius of curvature r 2 , which may deviate from the radius of curvature r 1 of embodiments without tapering of the peripheral wall 3.
  • a radius of curvature r 2 is shown which is approximately twice as large as r 1 .
  • the transition region of the taper facing away from the crown bottom 4 is rounded to avoid an edge, wherein the rounding is defined by a radius of curvature r 3 .
  • FIG. 7 shows a blade for a gas turbine according to a fifth embodiment of the present invention. It has the same basic structure as the previously described embodiments and differs from the previously described embodiments in that the cooling channels are opposite to a plane perpendicular to the radial direction R in the direction of the trailing edge of the blade are inclined. In this case, the inclination angle ⁇ in the direction of the trailing edge of the blade in a plane which intersects the measurement plane of the inclination angle ⁇ perpendicular, measured and are 45 °. As a result, the cooling channels 11 have a greater length, as a result of which the convective cooling of the squealer edge 7 is improved.
  • FIG. 8 shows a blade for a gas turbine according to a sixth embodiment of the present invention. It is different from the one in FIG. 7 illustrated embodiments, characterized in that further cooling channels 11 are provided which are inclined relative to a plane perpendicular to the radial direction R in the direction of the leading edge of the blade.
  • the cooling channels 11 of different inclination directions penetrate each other. Alternatively, however, they can also intersect without penetration, in particular if the cooling fluid outlet openings 12 are arranged in two rows arranged next to one another.
  • the inclination angle ⁇ may be selected differently from the inclination angle ⁇ .
  • An advantage of the blade according to the invention is that the cooling channels 11 are not added or only slightly by material removal from the end face 7b of the squealer 7. This ensures a constant during operation of the gas turbine cooling the squeal edge 7 and thus a long life of the blade.
  • Another advantage of the blade according to the invention is shown in the ease of manufacture of the recess 9 and the cooling channels 11. Due to the small depth of the recess 9 is an effective cooling of the squealer 7 over its entire height h possible. In addition, the cooling fluid flowing out of the cooling fluid outlet openings 12 on its short path to the outside step of the squealer edge 7 during the Operation of the gas turbine hardly distracted, which is accompanied by an effective cooling of the blade tip 5.

Abstract

Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend ein sich in einer radialen Richtung erstreckendes Schaufelblatt (1) mit einem Schaufelblattkörper (2), der eine Umfangswandung mit einem druckseitigen Wandabschnitt (3a) und einem saugseitigen Wandabschnitt (3b), einen im Bereich der Schaufelspitze mit der Umfangswandung verbundenen plattenförmigen Kronenboden und eine sich entlang der Umfangswandung erstreckende Anstreifkante (7a,7b) aufweist, wobei die Umfangswandung und der Kronenboden in dem Schaufelblattkörper einen Hohlraum definieren, die Anstreifkante außenseitig mit der Umfangswandung fluchtet und radial über den Kronenboden vorsteht, und in dem Schaufelblattkörper Kühlkanäle ausgebildet sind, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu in der Anstreifkante vorgesehenen Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) erstrecken, wobei in der Stirnfläche der Anstreifkante wenigstens eine Vertiefung (9) ausgebildet ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen vollständig in einem Bodenbereich (9a) der Vertiefung angeordnet sind.A gas turbine blade comprising a radially extending airfoil (1) having an airfoil body (2) having a peripheral wall with a pressure-side wall portion (3a) and a suction-side wall portion (3b), one in the region of the blade tip with the peripheral wall connected plate-shaped crown bottom and extending along the peripheral wall squealer (7a, 7b), wherein the peripheral wall and the crown bottom define a cavity in the airfoil body, the squealer on the outside flush with the peripheral wall and projects radially beyond the crown bottom, and in the airfoil body cooling channels are formed, which extend from the cavity to provided in the squeal edge cooling fluid outlet openings (12), wherein in the end face of the squeal edge at least one recess (9) is formed, in which at least a part of the cooling channels opens such that the Kühlf Leave openings completely in a bottom portion (9 a) of the recess are arranged.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend ein sich in einer radialen Richtung erstreckendes Schaufelblatt mit einem Schaufelblattkörper, der eine Umfangswandung mit einem druckseitigen Wandabschnitt und einem saugseitigen Wandabschnitt, einen im Bereich der Schaufelspitze mit der Umfangswandung verbundenen plattenförmigen Kronenboden und eine sich entlang der Umfangswandung erstreckende Anstreifkante aufweist, wobei die Umfangswandung und der Kronenboden in dem Schaufelblattkörper einen Hohlraum definieren, die Anstreifkante außenseitig mit der Umfangswandung fluchtet und radial über den Kronenboden vorsteht und in dem Schaufelblattkörper Kühlkanäle ausgebildet sind, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu in der Anstreifkante vorgesehenen Kühlfluidaustrittsöffnungen erstrecken.The present invention relates to a rotor blade for a gas turbine, comprising a radially extending airfoil having an airfoil body having a peripheral wall with a pressure-side wall portion and a suction-side wall portion, a plate-shaped crown bottom connected in the region of the blade tip with the peripheral wall and a along the circumferential wall extending squealer, wherein the peripheral wall and the crown base define a cavity in the airfoil body, the squealer aligned on the outside with the peripheral wall and projects radially beyond the crown bottom and formed in the airfoil body cooling channels extending from the cavity to in the squealer extending cooling fluid outlet openings extend.

In einer Gasturbinenanlage wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs erzeugten Heißgases in Rotationsenergie umgewandelt, die meist mittels eines Generators in elektrische Energie konvertiert wird. Dazu besitzt die Gasturbinenanlage einen Strömungskanal, in dessen axialer Richtung ein Turbinenläufer drehbar gelagert ist. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Radscheiben, an deren radial äußeren Stirnflächen jeweils eine Mehrzahl von Laufschaufeln in Form eines Schaufelkranzes angeordnet sind. Die Laufschaufeln weisen hierzu jeweils Schaufelfüße auf, die in eine oder mehrere an den Stirnflächen der Radscheiben ausgebildete Aufnahmenuten eingesetzt und darin festgelegt sind.In a gas turbine plant thermal energy and / or flow energy of a hot gas generated by combustion of a fuel is converted into rotational energy, which is usually converted by a generator into electrical energy. For this purpose, the gas turbine plant has a flow channel, in whose axial direction a turbine rotor is rotatably mounted. This comprises a plurality of wheel disks, at the radially outer end surfaces of each of which a plurality of rotor blades in the form of a blade ring are arranged. For this purpose, the rotor blades each have blade feet, which are inserted into one or more receiving grooves formed on the end faces of the wheel disks and fixed therein.

An der Oberseite der Schaufelfüße sind Schaufelplattformen ausgebildet, von deren von der Radscheibe weg weisenden Außenseiten Schaufelblätter in den Strömungskanal vorstehen.On the upper side of the blade feet, blade platforms are formed, from whose outer sides facing away from the wheel disc blades project into the flow channel.

Während des Betriebs der Gasturbinenanlage wird der Strömungskanal von dem Heißgas durchströmt, wobei das strömende Heißgas die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die aufgrund der Form der Schaufelblätter in ein auf den Turbinenläufer wirkendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenläufer rotierend antreibt.During operation of the gas turbine plant, the flow channel is traversed by the hot gas, the flowing hot gas impinging the blades with a force which, due to the shape of the airfoils, is converted to a torque acting on the turbine rotor which rotatably drives the turbine rotor.

Der thermodynamische Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen ist umso größer, je höher die Heißgastemperatur in der Gasturbinenanlage ist. Der Höhe der Heißgastemperatur sind jedoch Grenzen durch die thermische Belastbarkeit der Laufschaufeln gesetzt. Dementsprechend besteht eine Zielsetzung darin, Laufschaufeln zu schaffen, die auch bei hohen thermischen Belastungen eine für den Betrieb der Gasturbinenanlage ausreichende mechanische Festigkeit besitzen. Hierzu werden Laufschaufeln mit aufwendigen Beschichtungssystemen versehen. Zur weiteren Erhöhung der maximal zulässigen Heißgastemperatur werden Laufschaufeln während des Betriebs der Gasturbinenanlage gekühlt. Dazu sind in ihrem Inneren Hohlräume und Kühlkanäle ausgebildet, die von einem Kühlfluid, zumeist Luft durchströmt werden. Gängige Kühlverfahren sind beispielsweise die Prallkühlung, bei der das Kühlfluid derart geführt wird, dass es von innen auf die Wandung des Schaufelblatts prallt, oder die Filmkühlung, bei der das Kühlfluid durch in dem Schaufelblattkörper ausgebildete Kühlbohrungen aus dem Inneren des Schaufelblatts nach außen strömt, um an dessen Außenseite einen Kühlfilm zu bilden.The higher the hot gas temperature in the gas turbine plant, the greater the thermodynamic efficiency of gas turbine plants. The height of the hot gas temperature, however, limits are set by the thermal load capacity of the blades. Accordingly, an object is to provide blades that have sufficient mechanical strength for the operation of the gas turbine plant even at high thermal loads. For this purpose, blades are provided with elaborate coating systems. To further increase the maximum allowable hot gas temperature, blades are cooled during operation of the gas turbine engine. For this purpose, in their interior cavities and cooling channels are formed, which are flowed through by a cooling fluid, usually air. Common cooling methods include, for example, impingement cooling in which the cooling fluid is guided so as to impinge on the wall of the airfoil from the inside, or the film cooling in which the cooling fluid flows outwardly from the interior of the airfoil by cooling holes formed in the airfoil body on the outside of which to form a cooling film.

Es ist bekannt, die Schaufelblätter gekühlter Laufschaufeln in einem Gussverfahren herzustellen. Gängige gegossene Schaufelblätter umfassen jeweils einen hohlen Schaufelblattkörper, der in dem Bereich der Schaufelspitze durch einen sogenannten Kronenboden verschlossen ist. Ferner trägt der Schaufelblattkörper in dem Bereich der Schaufelspitze eine Anstreifkante, die außenseitig bündig an den Schaufelblattkörper angegossen ist und entlang der Außenkontur der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers in der radialen Richtung vorsteht. Zwischen der Anstreifkante und einer den Strömungskanal der Gasturbinenanlage begrenzenden Kanalwandung verbleibt ein enger Radialspalt vorgegebener Breite, um einerseits ein reibungsarmes Rotieren des Turbinenläufers in dem Strömungskanal zu ermöglichen, andererseits aber nur einen geringen Teil des Heißgases ungenutzt durch den Radialspalt durchströmen zu lassen. Zum Schutz der Anstreifkante ist es bekannt, in der Anstreifkante zur Kühlung Kühlkanäle auszubilden, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu Kühlfluidaustrittsöffnungen erstrecken, die in den Stirnflächen der Anstreifkante ausgebildet sind.It is known to produce the blades of cooled blades in a casting process. Common cast airfoils each include a hollow airfoil body which is closed in the region of the blade tip by a so-called crown bottom. Further, in the region of the blade tip, the blade body carries a squeal edge which is integrally molded on the outside of the airfoil body and protrudes along the outer contour of the peripheral wall of the airfoil body in the radial direction. Between the squealer and one the flow channel of the gas turbine plant limiting channel wall remains a narrow radial gap of predetermined width, on the one hand to allow low-friction rotation of the turbine rotor in the flow channel, but on the other hand, only a small portion of the hot gas to flow unused through the radial gap. To protect the squealer, it is known to form cooling channels in the squealer for cooling, which extend from the cavity to cooling fluid outlet openings, which are formed in the end faces of the squealer.

Nach einer gewissen Betriebsdauer der Turbinenanlage kann es zu Veränderungen des Radialspalts kommen. Beispielsweise kann der Turbinenläufer durch Kriechen seine ursprünglich zentrale Lage verlassen, die Länge der Laufschaufeln infolge der Zentrifugalkraft zunehmen oder sich ein ursprünglich kreisrunder Strömungskanal ovalisieren. Diese Effekte resultieren aus einem Setzen und/oder einer Längung infolge thermischer Belastung durch das Heißgas und/oder von rotationsbedingten Fliehkräften beziehungsweise der Schwerkraft. Der dadurch bewirkte Kontakt zwischen den Stirnflächen der Anstreifkanten und der Kanalwandung führt zu einem reibungsbedingten Abtrag von Material in Form von Metallstaub oder Metallspänen von den Anstreifkanten. Dann können sich die Kühlfluidaustrittsöffnungen mit dem abgetragenen Schaufelblattmaterial zusetzen, wodurch ein Kühlen der Anstreifkanten beeinträchtigt oder verhindert wird. Die unzureichende Kühlung der Anstreifkanten führt zu einem höheren Verschleiß und folglich zu einer geringeren Lebensdauer der Schaufelblätter.After a certain period of operation of the turbine system, there may be changes in the radial gap. For example, the turbine runner may creep out of its original central position, increase the length of the blades due to centrifugal force, or ovalize an originally circular flow channel. These effects result from setting and / or elongation due to thermal stress from the hot gas and / or from rotational centrifugal forces or gravity. The thus caused contact between the end faces of the squealer edges and the channel wall leads to a friction-related removal of material in the form of metal dust or metal chips from the squealer edges. Then, the cooling fluid outlet openings may become clogged with the removed airfoil material, thereby impairing or preventing cooling of the squealer edges. The inadequate cooling of the squealer edges results in higher wear and consequently lower blade life.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laufschaufel für eine Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen alternativen Aufbau besitzt und eine zuverlässige Kühlung der Anstreifkante ermöglicht.Starting from this prior art, it is an object of the present invention to provide a rotor blade for a gas turbine of the type mentioned, which has an alternative structure and allows reliable cooling of the squealer.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Laufschaufel für eine Gasturbine der eingangs genannten Art, bei der in der Stirnfläche der Anstreifkante wenigstens eine Vertiefung ausgebildet ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen vollständig in einem Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung liegen.To achieve this object, the present invention provides a blade for a gas turbine of the type mentioned, in which in the end face of the squealer at least a recess is formed into which at least a part of the cooling channels opens such that the cooling fluid outlet openings lie completely in a bottom region of the at least one depression.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Kühlfluidaustrittsöffnungen bezogen auf die radiale Richtung gegenüber der Stirnfläche der Anstreifkante abzusenken. Dies wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, dass in der Stirnfläche der Anstreifkante wenigstens eine Vertiefung ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Kühlaustrittsöffnungen vollständig in einem Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung angeordnet sind. Auf diese Weise sind die Kühlfluidaustrittsöffnungen von dem Kontaktbereich zwischen der Stirnfläche der Anstreifkante und der Kanalwandung entfernt, wodurch ein Zusetzen der Kühlfluidaustrittsöffnungen mit abgetragenem Schaufelblattmaterial reduziert oder verhindert wird. Infolge dessen bleibt die Kühlleistung über die Betriebsdauer der Gasturbinenanlage im Wesentlichen erhalten, was mit einer entsprechend langen Lebensdauer der Schaufelblätter einhergeht.The invention is based on the consideration to lower the cooling fluid outlet openings relative to the radial direction relative to the end face of the squealer. This is achieved according to the invention in that at least one depression is formed in the end face of the squealer edge and at least part of the cooling outlet openings are arranged completely in a bottom region of the at least one depression. In this way, the cooling fluid outlet openings are removed from the contact area between the end face of the squealer edge and the channel wall, whereby a clogging of the cooling fluid outlet openings with removed airfoil material is reduced or prevented. As a result, the cooling performance over the service life of the gas turbine plant is essentially maintained, which is associated with a correspondingly long life of the blades.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung bezogen auf die radiale Richtung zwischen der Stirnfläche der Anstreifkante und der Außenfläche des Kronenbodens angeordnet, wobei insbesondere der Bodenbereich als eine flache Bodenfläche ausgebildet ist, die gegenüber der Stirnfläche eine Tiefe besitzt, die im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mmm und bevorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm liegt. Eine solche radiale Position des Bodenbereichs bewirkt einerseits, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen in unmittelbarer Nähe des freien Endbereichs der Anstreifkante angeordnet sind, wodurch sich eine effektive Kühlung dieses Bereichs der Anstreifkante gewährleisten lässt. Die geringe Tiefe der Bodenfläche der Vertiefung gegenüber der Stirnfläche reicht andererseits aus, um zu verhindern, dass von der Stirnfläche abgetragene Materialpartikel die Kühlfluidaustrittsöffnungen zusetzen, was mit einer gleichbleibenden Kühlleistung einhergeht.According to one embodiment of the invention, the bottom region of the at least one depression is arranged between the end face of the squealer edge and the outside surface of the crown base, in particular the bottom region being formed as a flat bottom surface having a depth opposite to the end face Range of 0.5 mm to 4.5 mmm and preferably in the range of 0.5 mm to 2.5 mm. Such a radial position of the bottom region, on the one hand, causes the cooling fluid outlet openings to be arranged in the immediate vicinity of the free end region of the squealer edge, as a result of which effective cooling of this area of the squealer edge can be ensured. On the other hand, the small depth of the bottom surface of the recess opposite the end face is sufficient to prevent material particles removed from the end face from clogging the cooling fluid outlet openings, which is accompanied by a constant cooling capacity.

In bekannter Weise besitzt die Anstreifkante bezogen auf die radiale Richtung gegenüber der Außenfläche des Kronenbodens eine Höhe, die im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorteilhaft im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegt und bevorzugt 3,5 mm beträgt. In Anstreifkanten mit einer Höhe in diesem Bereich lassen sich Vertiefungen mit geeigneter Tiefe ohne Weiteres ausbilden.In known manner, the squeal edge, relative to the radial direction relative to the outer surface of the crown base, has a height which is in the range of 1 mm to 10 mm, advantageously in the range of 1.5 mm to 6 mm, and preferably 3.5 mm. In squiggings with a height in this range, wells of suitable depth can be easily formed.

Gemäß einer Weiterentwicklung ist eine Innenfläche der Anstreifkante gegenüber der radialen Richtung nach außen geneigt, wobei der Neigungswinkel in einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante senkrecht durchschneidet, und in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und bevorzugt weniger als 30° beträgt. Infolge der Neigung der Innenfläche der Anstreifkante verbreitert sich die Anstreifkante von der Stirnfläche in Richtung des Kronenbodens. Dies verbessert die Stabilität der Anstreifkante und verbessert zusätzlich den Wärmetransport zwischen der Anstreifkante und dem Kronenboden beziehungsweise der Umfangswandung.According to a further development, an inner surface of the squealer edge is inclined outward with respect to the radial direction, the angle of inclination being measured in a radially extending plane perpendicularly intersecting the squealer edge, being in the range of 0 ° to 45 °, and preferably less than 30 °. Due to the inclination of the inner surface of the squealer edge, the squealer edge widened from the end face in the direction of the crown bottom. This improves the stability of the squealer edge and additionally improves the heat transfer between the squealer edge and the crown bottom or the circumferential wall.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu der Innenseite der Anstreifkante, wobei insbesondere eine Stufenecke des Querschnitts, bevorzugt die Innenecke abgerundet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist wenigstens eine Vertiefung zur Innenseite hin offen ausgebildet. Derartige Vertiefungen können bereits während des Gießens des Schaufelblattkörpers oder erst nachträglich beispielsweise durch Fräsen oder Erodieren einfach hergestellt werden.According to one embodiment of the present invention, the at least one depression extends to form a stepped cross section up to the inside of the squealer edge, wherein in particular a step corner of the cross section, preferably the inner corner is rounded. In this embodiment, at least one recess is open towards the inside. Such depressions can already be easily produced during the casting of the airfoil body or only later, for example, by milling or erosion.

Bevorzugt besitzt in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante eine Breite, die geringer ist als die Dicke der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung. Dazu kann in dem Bereich der Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante eine Breite besitzen, die geringer ist als die Breite des Bodenbereichs der wenigstens einen Vertiefung. Auf diese Weise bildet nur ein relativ schmaler Außenbereich der Anstreifkante deren radial äußeren Endbereich.Preferably, in the region of the at least one depression, the end face of the squealer edge has a width that is less than the thickness of the peripheral wall of the airfoil body in the region of the at least one depression. For this purpose, in the region of the depression, the end face of Abrading edge have a width which is smaller than the width of the bottom portion of the at least one recess. In this way, only a relatively narrow outer region of the squealer forms its radially outer end region.

Vorteilhaft besitzen in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante und der Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung gemeinsam eine Breite, die etwa gleich der Dicke der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung ist. Derartige Anstreifkanten stellen im Wesentlichen eine Fortsetzung der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers über den Kronenboden hinaus dar.Advantageously, in the region of the at least one recess, the end face of the squealer edge and the bottom portion of the at least one recess together have a width which is approximately equal to the thickness of the peripheral wall of the airfoil body in the region of the at least one recess. Such rubbing edges essentially represent a continuation of the peripheral wall of the airfoil body beyond the crown bottom.

Alternativ kann die Vertiefung in der Stirnfläche der Anstreifkante als Nut unter Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächenabschnitts ausgebildet sein, wobei insbesondere die Innenecken der Vertiefung abgerundet sind.Alternatively, the depression in the end face of the squealer edge may be formed as a groove while leaving out an outside end face section and an inside face face section, wherein in particular the inside corners of the depression are rounded off.

In diesem Fall können in dem Bereich der Vertiefung die Breite des außenseitigen Stirnflächenabschnitts und die Breite des innenseitigen Stirnflächenabschnitts der Anstreifkante jeweils im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm liegen und bevorzugt mindestens 1 mm betragen, wobei das Verhältnis zwischen der außenseitigen Breite und der innenseitigen Breite im Bereich zwischen 0,7 mm und 1,3 mm, insbesondere 0,9 und 1,1 liegt und bevorzugt 1 ist.In this case, in the area of the recess, the width of the outside end surface portion and the width of the inside end surface portion of the squeal edge may each be in the range of 0.5 mm to 5 mm, and preferably at least 1 mm, the ratio between the outside width and the outside inside width in the range between 0.7 mm and 1.3 mm, in particular 0.9 and 1.1 and is preferably 1.

Gemäß einer weiteren Variante verjüngt sich in dem Bereich der Vertiefung die Umfangswandung in Richtung des Kronenbodens zugunsten des Hohlraums, wobei sich die Dicke der Umfangswandung von einer Ausgangsdicke auf eine verjüngte Dicke reduziert, die mindestens halb so groß wie die Ausgangsdicke ist, und die Verjüngung über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung erfolgt, dessen Höhe mindestens fünfmal und höchstens zehnmal so groß ist wie die Ausgangsdicke. Infolge der reduzierten Dicke der Umfangswandung unmittelbar unterhalb des Kronenbodens können die Kühlkanäle derart ausgebildet sein, dass sie sich näher zu der Außenseite der Anstreifkante erstrecken, was mit einer verbesserten konvektiven Kühlung der Anstreifkante einhergeht.According to a further variant, in the region of the depression, the peripheral wall tapers in the direction of the crown bottom in favor of the cavity, the thickness of the peripheral wall being reduced from an initial thickness to a tapered thickness which is at least half the initial thickness, and the tapering over a radial portion of the peripheral wall takes place, the height of which is at least five times and at most ten times as large as the initial thickness. Due to the reduced thickness of the peripheral wall immediately below the crown bottom, the cooling channels may be formed so that they extend closer to the outside of the squeal edge, which is accompanied by an improved convective cooling of the squealer.

Vorteilhaft sind in der wenigstens einen Vertiefung die Kühlfluidaustrittsöffnungen nebeneinander und beabstandet zueinander insbesondere äquidistant und/oder entlang einer Linie angeordnet. Derartig angeordnete Kühlfluidaustrittsöffnungen eignen sich in besonderem Maße dazu, die Anstreifkante entlang Ihrer umfänglichen Erstreckung zu kühlen. Grundsätzlich können die Kühlfluidaustrittsöffnungen aber beliebig verteilt sein.Advantageously, in the at least one recess, the cooling fluid outlet openings are arranged next to one another and at a distance from each other, in particular equidistantly and / or along a line. Such arranged cooling fluid outlet openings are particularly suitable to cool the squeal along its circumferential extent. In principle, however, the cooling fluid outlet openings can be distributed as desired.

Bei einer erfindungsgemäßen Laufschaufel kann die wenigstens eine Vertiefung nur in einem von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umgebungswandung abragenden Abschnitt der Anstreifkante vorgesehen sein. Auf diese Weise lässt sich die Kühlung des von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umfangswandung abragenden Abschnitts der Anstreifkante verbessern.In a moving blade according to the invention, the at least one depression can be provided only in a section of the squealer edge projecting from the suction-side wall section of the surrounding wall. In this way, the cooling of the protruding from the suction-side wall portion of the peripheral wall portion of the squealer can be improved.

In einer Variante der vorliegenden Erfindung ist genau eine Vertiefung vorgesehen. Dies führt zu einer besonders einfachen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufel.In a variant of the present invention exactly one depression is provided. This leads to a particularly simple embodiment of a blade according to the invention.

Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Vertiefungen vorgesehen sein, in die jeweils ein Teil der Kühlkanäle mündet und die insbesondere jeweils wenigstens ein oben genanntes Merkmal aufweisen. Mehrere Vertiefungen führen zu einer entsprechenden Gruppierung der Kühlkanäle.Alternatively, a plurality of recesses arranged side by side in the circumferential direction can be provided, into each of which a part of the cooling channels opens and in particular each have at least one feature mentioned above. Several recesses lead to a corresponding grouping of the cooling channels.

Gemäß einer Variante erstreckt sich jeder Kühlkanal geradlinig und/oder besitzt einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der im Bereich von 0,25 mm bis 2 mm liegt und bevorzugt 0,6 mm beträgt.According to a variant, each cooling channel extends in a straight line and / or has a circular cross-section with a diameter which is in the range of 0.25 mm to 2 mm and is preferably 0.6 mm.

Dabei können die Kühlkanäle im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen aufgeweitet sein, wobei die Aufweitungen insbesondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen Höhe höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durchmesser des Kühlkanals und/oder dessen Durchmesser höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Kühlkanals. Derartig aufgeweitete Kühlfluidaustrittsöffnungen können als Diffusor wirken und den austretenden Kühlfluidstrom entsprechend aufweiten, sodass nach dem Prinzip der Filmkühlung ein großer Bereich der Anstreifkante gekühlt werden kann. Alternativ zu der zylindrischen Form können die Kühlfluidaustrittsöffnungen auch konisch, halb-konisch oder fächerartig aufgeweitet sein.In this case, the cooling channels can be widened in the region of the cooling fluid outlet openings, wherein the widenings in particular have the shape of a cylinder whose height is at most five times, preferably as large as the diameter of the cooling channel and / or its diameter at most three times, preferably twice as large as that Diameter of the cooling channel. Such expanded cooling fluid outlet openings can act as a diffuser and expand the exiting cooling fluid flow accordingly, so that according to the principle of film cooling, a large portion of the squealer can be cooled. As an alternative to the cylindrical shape, the cooling fluid outlet openings can also be widened in a conical, semi-conical or fan-like manner.

Vorteilhaft sind die Kühlkanäle als Bohrungen ausgebildet. Durch Bohren lassen sich geradlinige Kühlkanäle mit kreisförmigem Querschnitt einfach in einen gegossenen Schaufelblattkörper einbringen.Advantageously, the cooling channels are formed as bores. By drilling, rectilinear cooling channels of circular cross-section can be easily inserted into a cast airfoil body.

Vorteilhaft sind die Kühlkanäle gegenüber der radialen Richtung quer zu der Innenfläche der Anstreifkante geneigt, wobei insbesondere die Neigungswinkel der Kühlkanäle, die jeweils in einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante senkrecht durchschneidet, gleich oder etwa gleich dem Neigungswinkel der Innenfläche der Anstreifkante sind. Kühlkanäle mit einer solchen Neigung leiten das aus den Kühlfluidaustrittsöffnungen austretende Kühlfluid von innen zu dem äußeren Endbereich der Anstreifkante.Advantageously, the cooling channels relative to the radial direction are inclined transversely to the inner surface of the squealer, in particular, the inclination angle of the cooling channels, which are each measured in a radially extending plane which intersects the squeal edge perpendicular, equal to or approximately equal to the inclination angle of the inner surface the rubbing edge are. Cooling channels with such an inclination guide the cooling fluid emerging from the cooling fluid outlet openings from the inside to the outer end area of the squealer edge.

Gemäß einer Variante ist jeder Kühlkanal gegenüber einer zu der radialen Richtung senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel oder in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel geneigt, wobei der Neigungswinkel in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel und der Neigungswinkel in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel jeweils in einer Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels senkrecht schneidet, gemessen werden, im Bereich zwischen 30° und 90° liegen und bevorzugt 45° betragen. Kühlkanäle mit einer solchen Neigung in Richtung der Anströmkante oder in Richtung der Abströmkante weisen eine größere Länge auf, wodurch sich die konvektive Kühlung der Anstreifkante verbessern kann. Zudem können sie die Strömungsrichtung des austretenden Kühlfluids günstig beeinflussen. Kühlkanäle unterschiedlicher Neigungsrichtungen können sich durchdringen oder ohne Durchdringung kreuzen.According to a variant, each cooling channel is inclined relative to a plane perpendicular to the radial direction in the direction of the leading edge of the blade or in the direction of the trailing edge of the blade, the angle of inclination in the direction of the trailing edge of the blade and the angle of inclination in the direction of the leading edge of the blade in each case Level, which intersects the plane of measurement of the angle of inclination perpendicular, be measured in the range between 30 ° and 90 ° lie and preferably 45 °. Cooling channels with such an inclination in the direction of the leading edge or in the direction of the trailing edge have a greater length, whereby the convective cooling of the squealer can improve. In addition, they can favorably influence the flow direction of the exiting cooling fluid. Cooling channels of different inclination directions can penetrate or intersect without penetration.

Gemäß einer Weiterentwicklung ist ein Übergangsbereich zwischen einer Innenfläche der Anstreifkante und der Außenfläche des Kronenbodens abgerundet. Dies verbessert die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufelspitze.According to a further development, a transition region between an inner surface of the squealer edge and the outer surface of the crown base is rounded off. This improves the aerodynamic properties of the blade tip.

In an sich bekannter Weise ist der Schaufelblattkörper durch Gießen oder in einem generativen Verfahren, insbesondere mittels 3D-Drucken hergestellt. Gießen hat sich insbesondere für gekühlte Schaufelblätter mit einem Hohlraum in ihrem Inneren als ein geeignetes Herstellungsverfahren herausgestellt. Aber auch generative Verfahren sind zur Herstellung von Schaufelblattkörpern geeignet.In a manner known per se, the blade body is produced by casting or in a generative process, in particular by means of 3D printing. Casting has been found to be a suitable manufacturing process, in particular for cooled airfoils with a cavity in their interior. But also generative processes are suitable for the production of airfoil bodies.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand von sechs Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist:

Figur 1
eine perspektivische Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2
eine vergrößerte Teilansicht der in der Figur 1 dargestellten Laufschaufel;
Figur 3
eine vergrößerte Querschnittsansicht der in Figur 2 dargestellten Laufschaufel entlang der mit III bezeichneten Linie;
Figur 4
eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
Figur 5
eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
Figur 6
eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
Figur 7
eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 2 entspricht; und
Figur 8
eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 2 entspricht.
Further advantages and features of the present invention will become apparent from six embodiments of a blade according to the invention with reference to the accompanying drawings. In it is:
FIG. 1
a partial perspective view of a blade of a blade according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2
an enlarged partial view of the in the FIG. 1 illustrated blade;
FIG. 3
an enlarged cross-sectional view of in FIG. 2 shown blade along the designated III line;
FIG. 4
an enlarged cross-sectional view of an airfoil of a blade according to a second embodiment of the present invention, the FIG. 3 corresponds;
FIG. 5
an enlarged cross-sectional view of a blade of a blade according to a third embodiment of the present invention, the FIG. 3 corresponds;
FIG. 6
an enlarged cross-sectional view of a blade of a blade according to a fourth embodiment of the present invention, the FIG. 3 corresponds;
FIG. 7
an enlarged partial view of a blade of a blade according to a fifth embodiment of the present invention, the FIG. 2 corresponds; and
FIG. 8
an enlarged partial view of an airfoil of a blade according to a sixth embodiment of the present invention, the FIG. 2 equivalent.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laufschaufel umfasst ein sich in einer radialen Richtung R erstreckendes Schaufelblatt 1 mit einem gegossenen Schaufelblattkörper 2. Der Schaufelblattkörper 2 besitzt eine Umfangswandung 3, die einen druckseitigen Wandabschnitt 3a und einen saugseitigen Wandabschnitt 3b aufweist. Ferner umfasst der Schaufelblattkörper 2 einen plattenförmigen Kronenboden 4, der mit der Umfangswandung 3 im Bereich der Schaufelspitze 5 verbunden ist. Die Umfangswandung 3 und der Kronenboden 4 definieren in dem Schaufelblattkörper 2 einen Hohlraum 6, der während des Betriebs der Gasturbine von einem Kühlfluid durchströmt wird.The FIGS. 1 to 3 show a blade for a gas turbine according to a first embodiment of the present invention. The blade includes an airfoil 1 extending in a radial direction R with a cast airfoil body 2. The airfoil body 2 has a peripheral wall 3 having a pressure-side wall portion 3a and a suction-side wall portion 3b. Furthermore, the airfoil body 2 comprises a plate-shaped crown base 4, which is connected to the peripheral wall 3 in the region of the blade tip 5. The peripheral wall 3 and the crown bottom 4 define in the airfoil body 2 a cavity 6, which is flowed through during the operation of the gas turbine by a cooling fluid.

Weiterhin umfasst der Schaufelblattkörper 2 eine Anstreifkante 7. Die Anstreifkante 7 erstreckt sich entlang der Umfangswandung 3 und fluchtet außenseitig mit dieser. Dabei steht die Anstreifkante 7 radial über den Kronenboden 4 vor und besitzt bezogen auf die radiale Richtung R gegenüber der Außenfläche 4a des Kronenbodens eine Höhe h, die senkrecht zu der Außenfläche 4a des Kronenbodens gemessen wird und etwa 3 mm beträgt. Eine Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 ist gegenüber der radialen Richtung R um einen Neigungswinkel δ von ca. 25° geneigt, der in einer sich in radialer Richtung (R) erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante 7 senkrecht durchschneidet. Ein Übergangsbereich 8 zwischen der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 und der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 ist abgerundet ausgebildet.Furthermore, the airfoil body 2 comprises a squealer edge 7. The squealer edge 7 extends along the peripheral wall 3 and is aligned on the outside with this. In this case, the squealer edge 7 projects radially beyond the crown base 4 and has, relative to the radial direction R relative to the outer surface 4a of the crown base, a height h which is measured perpendicular to the outer surface 4a of the crown base and is about 3 mm. An inner surface 7a of the squealer edge 7 is inclined relative to the radial direction R by an inclination angle δ of approximately 25 °, which is measured in a plane extending in the radial direction (R), which intersects the squealer edge 7 perpendicularly. A transition region 8 between the inner surface 7a of the squealer edge 7 and the outer surface 4a of the crown base 4 is rounded.

In einem von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umfangswandung 3 abragenden Abschnitt der Anstreifkante 7 ist eine Vertiefung 9 ausgebildet, die sich unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu der Innenseite der Anstreifkante 7 erstreckt. Dabei ist die Innenecke 10 des abgestuften Querschnitts abgerundet. Der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 ist als eine flache Bodenfläche ausgebildet und bezogen auf die radiale Richtung R zwischen der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 und der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 angeordnet. Dabei erstrecken sich die Außenfläche 4a des Kronenbodens 4, die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 parallel zueinander und senkrecht zu der radialen Richtung R. Auf diese Weise besitzt die Vertiefung 9 gegenüber der Stirnfläche 7b eine Tiefe h1, die als senkrechter Abstand zwischen der Bodenfläche 9a und der Stirnfläche 7b gemessen wird und ca. 1 mm beträgt. Entsprechend beträgt die senkrecht gemessene Höhe h2 der Bodenfläche der Vertiefung 9 über der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 ca. 2 mm. Die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und die Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 können aber auch zueinander und/oder zu der radialen Richtung R geneigt sein, wobei die Tiefe h1 bzw. die Höhe h2 dann jeweils bezogen auf die Innenecke 10 zu bestimmen sind.In one of the suction-side wall portion of the peripheral wall 3 projecting portion of the squealer 7 a recess 9 is formed, which extends to form a stepped cross-section to the inside of the squealer 7. In this case, the inner corner 10 of the stepped cross section is rounded. The bottom portion 9a of the recess 9 is formed as a flat bottom surface and arranged with respect to the radial direction R between the end face 7b of the squealer edge 7 and the outer surface 4a of the crown bottom 4. In this case, the outer surface 4a of the crown base 4, the bottom surface 9a of the recess 9 and end face 7b of the squealer 7 extend parallel to each other and perpendicular to the radial direction R. In this way, the recess 9 relative to the end face 7b has a depth h 1 , as vertical distance between the bottom surface 9a and the end face 7b is measured and is about 1 mm. Accordingly, the vertically measured height h 2 of the bottom surface of the recess 9 over the outer surface 4 a of the crown base 4 is about 2 mm. The bottom surface 9 a of the recess 9 and the outer surface 4 a of the crown base 4 but can also be inclined to each other and / or to the radial direction R, wherein the depth h 1 or the height h 2 then in each case based on the inner corner 10 are to be determined.

In dem Bereich der Vertiefung 9 besitzt die Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 eine Breite a1, die geringer ist als die Dicke d1 der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9. Darüber hinaus ist die Breite a1 der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 in dem Bereich der Vertiefung 9 geringer als die Breite b1 des Bodenbereichs 9a der Vertiefung 9. Gemeinsam besitzen die Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 und der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 eine Breite a1+b1, die etwa gleich der Dicke d1 der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9 ist, wobei die Dicke d1 als senkrechter Abstand zwischen der Außenfläche und der Innenfläche der Umgebungswandung 3 gemessen wird. Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, werden die Breiten a1 und b1 jeweils parallel zueinander und zu der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 gemessen. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können relative Größenverhältnisse der Breiten a1 und b1 sowie der Dicke d1 aufweisen, die von den hier gewählten abweichen.In the region of the recess 9 has the end face 7b of the squealer 7 has a width a 1 , which is smaller than the thickness d 1 of the peripheral wall 3 of the airfoil body 2 in the region of the recess 9. In addition, the width a 1 of the end face 7b of Sharp edge 7 in the region of the recess 9 is less than the width b 1 of the bottom portion 9a of the recess 9. Together, the end face 7b of the squealer 7 and the bottom portion 9a of the recess 9 have a width a 1 + b 1 , which is approximately equal to the thickness d 1 of the peripheral wall 3 of the airfoil body 2 in the region of the recess 9, wherein the thickness d 1 is measured as a vertical distance between the outer surface and the inner surface of the surrounding wall 3. Again FIG. 3 can be seen, the widths a 1 and b 1 respectively parallel to each other and to the outer surface 4 a of the crown bottom 4 are measured. Other embodiments of the present invention may have 1, which differ from the selected here relative proportions of the widths of a 1 and b 1 as well as the thickness d.

In dem Schaufelblattkörper 2 sind Kühlkanäle 11 ausgebildet, die sich ausgehend vom dem Hohlraum 6 zu Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 erstrecken, die in der Anstreifkante 7 vorgesehen sind. Die Kühlkanäle 11 münden derart in die Vertiefung 9, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 vollständig in dem Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 angeordnet sind. Dabei sind die Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 in der Vertiefung 9 äquidistant und entlang einer Linie nebeneinander angeordnet. Jeder Kühlkanal 11 ist als Bohrung ausgebildet und erstreckt sich geradlinig. Er besitzt einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der etwa 0,6 mm beträgt. Jeder Kühlkanal 11 ist gegenüber der radialen Richtung R quer zu der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 geneigt, wobei die Neigungswinkel θ der Kühlkanäle 11, die jeweils in einer sich in radialer Richtung R erstreckenden Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante 7 senkrecht durchschneidet, etwa gleich dem Neigungswinkel δ der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 sind.In the airfoil body 2 cooling channels 11 are formed, which extend from the cavity 6 to cooling fluid outlet openings 12 which are provided in the squealer 7. The cooling channels 11 open into the recess 9 in such a way that the cooling fluid outlet openings 12 are arranged completely in the bottom area 9a of the recess 9. The cooling fluid outlet openings 12 in the recess 9 are equidistant and arranged alongside one another along a line. Each cooling channel 11 is formed as a bore and extends in a straight line. It has a circular cross section with a diameter of about 0.6 mm. Each cooling passage 11 is inclined with respect to the radial direction R across the inner surface 7a of the squealer edge 7, wherein the inclination angles θ of the cooling channels 11 each measured in a plane extending in the radial direction R are the squealer edge 7 intersects perpendicularly, approximately equal to the angle of inclination δ of the inner surface 7a of the squealer edge 7.

Die Figur 4 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau dieser Laufschaufel stimmt grundsätzlich mit dem Aufbau der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein. Abweichend davon sind hier die Kühlkanäle im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen aufgeweitet. Die aufgeweitete Kühlfluidöffnung 12a besitzt die Form eines Zylinders, dessen Höhe h5 gleich dem Durchmesser des Kühlkanals 11 ist und dessen Durchmesser c5 doppelt so groß wie der Durchmesser des Kühlkanals 11 ist, wodurch sich für den Zylinder eine Querschnittsfläche ergibt, die viermal so groß ist wie die Querschnittsfläche des Kühlkanals 11. Bei dieser Ausführungsform wird im Betrieb der Laufschaufel entsprechend ein aufgeweiteter Kühlstrom erzeugt, mit dem sich ein großer Bereich der Anstreifkante 7 kühlen lässt.The FIG. 4 shows a blade for a gas turbine according to a second embodiment of the present invention. The structure of this blade is basically the structure of the in the FIGS. 1 to 3 illustrated first embodiment. Deviating from here, the cooling channels are widened in the region of the cooling fluid outlet openings. The expanded cooling fluid opening 12a has the shape of a cylinder, the height h 5 is equal to the diameter of the cooling channel 11 and the diameter c 5 is twice as large as the diameter of the cooling channel 11, resulting in a cross-sectional area for the cylinder, which is four times as large is like the cross-sectional area of the cooling channel 11. In this embodiment, during operation of the blade, a widened cooling flow is generated in accordance with which a large area of the squealer edge 7 can be cooled.

Die Figur 5 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie besitzt grundsätzlich denselben Aufbau wie die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Laufschaufel. Im Unterschied zu dieser ist die Vertiefung 9 als Nut unter Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächenabschnitts ausgebildet, erstreckt sich also nicht bis zur Innenseite der Anstreifkante 7, sondern wird auch innenseitig durch die Anstreifkante 7 begrenzt. Dabei besitzen die außenseitige Stirnfläche 7b eine Breite a2, die innenseitige Stirnfläche 7b eine Breite c2 und der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 eine Breite b2. Auf diese Weise ergibt sich für die Anstreifkante 7 in dem Bereich der Vertiefung 9 eine gemeinsame Breite von a2 + b2 + c2, die größer ist als die Dicke d1 der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2. Infolgedessen ist der Neigungswinkel δ der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 gegenüber der radialen Richtung R entsprechend kleiner. Die innenseitige Höhe (h3 + h4) der Anstreifkante 7 ist vorliegend gleich der außenseitigen Höhe (h1 + h2) der Anstreifkante, kann aber auch von dieser abweichen.The FIG. 5 shows a blade for a gas turbine according to a third embodiment of the present invention. It basically has the same structure as the one in the FIGS. 1 to 3 illustrated blade. In contrast to this, the recess 9 is formed as a groove leaving an outside end face portion and an inside end face portion, so does not extend to the inside of the squeal edge 7, but is also bounded on the inside by the squeal 7. In this case, the outside end face 7b have a width a 2 , the inside end face 7b has a width c 2 and the bottom area 9a of the recess 9 has a width b 2 . In this way, for the squealer 7 in the region of the recess 9, a common width of a 2 + b 2 + c 2 , which is greater than the thickness d 1 of the peripheral wall 3 of the airfoil body 2. As a result, the inclination angle δ of the inner surface 7a of the squealer 7 with respect to the radial direction R correspondingly smaller. The inside height (h 3 + h 4 ) of the squealer 7 is present equal to the outside height (h 1 + h 2 ) of the squealer, but may also differ from this.

Die Figur 6 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass sich die Umfangswandung 3 in Richtung des Kronenbodens 4 zugunsten des Hohlraums 6 verjüngt. Dabei reduziert sich die Dicke der Umfangswandung 3 von einer Ausgangsdicke d1 auf eine verjüngte Dicke d2, die etwa halb so groß ist wie die Ausgangsdicke d1. Die Verjüngung erfolgt über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung 3, dessen Höhe 1 ungefähr fünfmal so groß ist wie Ausgangsdicke d1. In der gezeigten Ausführungsform verläuft die Verjüngung linear, d.h. die Innenseite der Umfangswandung 3 ist flach und bezogen auf Ausführungsformen ohne Verjüngung der Umfangswandung 3 um einen Winkel ε geneigt. Dank der Verjüngung der Umfangswandung 3 ist der Querneigungswinkel θ der Kühlkanäle 11 kleiner derart gewählt, dass sich die Kühlkanäle 11 näher zu der Außenseite der Anstreifkante 7 erstrecken, wodurch die konvektive Kühlung der Anstreifkante 7 verbessert wird. Der Übergangsbereich zum Kronenboden 4 ist abgerundet, wobei die Krümmung durch einen Krümmungsradius r2 definiert ist, der von dem Krümmungsradius r1 von Ausführungsformen ohne Verjüngung der Umfangswandung 3 abweichen kann. In der Figur 7 ist ein Krümmungsradius r2 dargestellt, der ungefähr doppelt so groß wie r1 ist. Der von dem Kronenboden 4 abgewandte Übergangsbereich der Verjüngung ist zur Vermeidung einer Kante abgerundet, wobei die Abrundung durch einen Krümmungsradius r3 definiert ist.The FIG. 6 shows a blade for a gas turbine according to a fourth embodiment of the present invention. It differs from the previously described embodiments in that the circumferential wall 3 tapers in the direction of the crown base 4 in favor of the cavity 6. In this case, the thickness of the peripheral wall 3 is reduced from an initial thickness d 1 to a tapered thickness d 2 , which is approximately half the initial thickness d 1 . The taper takes place via a radial section of the circumferential wall 3, whose height 1 is approximately five times as great as the initial thickness d 1 . In the embodiment shown, the taper is linear, ie the inside of the peripheral wall 3 is flat and inclined relative to embodiments without tapering of the peripheral wall 3 by an angle ε. Thanks to the tapering of the circumferential wall 3, the bank angle θ of the cooling channels 11 is selected smaller such that the cooling channels 11 extend closer to the outside of the squealer edge 7, whereby the convective cooling of the squealer edge 7 is improved. The transition region to the crown bottom 4 is rounded, wherein the curvature is defined by a radius of curvature r 2 , which may deviate from the radius of curvature r 1 of embodiments without tapering of the peripheral wall 3. In the FIG. 7 a radius of curvature r 2 is shown which is approximately twice as large as r 1 . The transition region of the taper facing away from the crown bottom 4 is rounded to avoid an edge, wherein the rounding is defined by a radius of curvature r 3 .

Die Figur 7 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie besitzt denselben grundsätzlichen Aufbau wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen und unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass die Kühlkanäle gegenüber einer zu der radialen Richtung R senkrechten Ebene in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel geneigt sind. Dabei werden die Neigungswinkel α in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel in einer Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels δ senkrecht schneidet, gemessen und betragen 45°. Dadurch weisen die Kühlkanäle 11 eine größere Länge auf, wodurch sich die konvektive Kühlung der Anstreifkante 7 verbessert.The FIG. 7 shows a blade for a gas turbine according to a fifth embodiment of the present invention. It has the same basic structure as the previously described embodiments and differs from the previously described embodiments in that the cooling channels are opposite to a plane perpendicular to the radial direction R in the direction of the trailing edge of the blade are inclined. In this case, the inclination angle α in the direction of the trailing edge of the blade in a plane which intersects the measurement plane of the inclination angle δ perpendicular, measured and are 45 °. As a result, the cooling channels 11 have a greater length, as a result of which the convective cooling of the squealer edge 7 is improved.

Die Figur 8 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie unterscheidet sich von der in Figur 7 dargestellten Ausführungsformen dadurch, dass weitere Kühlkanäle 11 vorgesehen sind, die gegenüber einer zu der radialen Richtung R senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel geneigt sind. Dabei werden die Neigungswinkel β in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel in einer Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels δ senkrecht schneidet, gemessen und betragen 45°. Bei dieser Laufschaufel durchdringen sich die Kühlkanäle 11 unterschiedlicher Neigungsrichtungen jeweils gegenseitig. Alternativ können sie sich aber auch ohne Durchdringung kreuzen, insbesondere wenn die Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 in zwei nebeneinander angeordneten Reihen angeordnet sind. Auch kann der Neigungswinkel β abweichend von dem Neigungswinkel α gewählt sein.The FIG. 8 shows a blade for a gas turbine according to a sixth embodiment of the present invention. It is different from the one in FIG. 7 illustrated embodiments, characterized in that further cooling channels 11 are provided which are inclined relative to a plane perpendicular to the radial direction R in the direction of the leading edge of the blade. In this case, the inclination angle β in the direction of the leading edge of the blade in a plane which intersects the measurement plane of the inclination angle δ perpendicular, measured and are 45 °. In this blade, the cooling channels 11 of different inclination directions penetrate each other. Alternatively, however, they can also intersect without penetration, in particular if the cooling fluid outlet openings 12 are arranged in two rows arranged next to one another. Also, the inclination angle β may be selected differently from the inclination angle α.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Laufschaufel besteht darin, dass die Kühlkanäle 11 nicht oder nur geringfügig durch Materialabtrag von der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 zugesetzt werden. Dies gewährleistet eine während des Betriebs der Gasturbine gleichbleibende Kühlung der Anstreifkante 7 und somit eine lange Lebensdauer der Laufschaufel. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Laufschaufel zeigt sich in der einfachen Herstellbarkeit der Vertiefung 9 sowie der Kühlkanäle 11. Aufgrund der geringen Tiefe der Vertiefung 9 bleibt eine effektive Kühlung der Anstreifkante 7 über ihre gesamte Höhe h möglich. Zudem wird das aus den Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 strömende Kühlfluid auf seinem kurzen Weg zu der außenseitigen Stufe der Anstreifkante 7 während des Betriebs der Gasturbine kaum abgelenkt, was mit einer effektiven Kühlung der Schaufelspitze 5 einher geht.An advantage of the blade according to the invention is that the cooling channels 11 are not added or only slightly by material removal from the end face 7b of the squealer 7. This ensures a constant during operation of the gas turbine cooling the squeal edge 7 and thus a long life of the blade. Another advantage of the blade according to the invention is shown in the ease of manufacture of the recess 9 and the cooling channels 11. Due to the small depth of the recess 9 is an effective cooling of the squealer 7 over its entire height h possible. In addition, the cooling fluid flowing out of the cooling fluid outlet openings 12 on its short path to the outside step of the squealer edge 7 during the Operation of the gas turbine hardly distracted, which is accompanied by an effective cooling of the blade tip 5.

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

Claims (22)

Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend ein sich in einer radialen Richtung (R) erstreckendes Schaufelblatt (1) mit einem Schaufelblattkörper (2), der eine Umfangswandung (3) mit einem druckseitigen Wandabschnitt (3a) und einem saugseitigen Wandabschnitt (3b), einen im Bereich der Schaufelspitze (5) mit der Umfangswandung (3) verbundenen plattenförmigen Kronenboden (4) und eine sich entlang der Umfangswandung (3) erstreckende Anstreifkante (7) aufweist, wobei die Umfangswandung (3) und der Kronenboden (4) in dem Schaufelblattkörper (2) einen Hohlraum (6) definieren, die Anstreifkante (7) außenseitig mit der Umfangswandung (3) fluchtet und radial über den Kronenboden (4) vorsteht und in dem Schaufelblattkörper (2) Kühlkanäle (11) ausgebildet sind, die sich ausgehend von dem Hohlraum (6) zu in der Anstreifkante (7) vorgesehenen Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) wenigstens eine Vertiefung (9) ausgebildet ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle (11) derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) vollständig in einem Bodenbereich (9a) der Vertiefung (9) liegen.A rotor blade for a gas turbine, comprising an airfoil (1) extending in a radial direction with an airfoil body (2) having a peripheral wall (3) with a pressure side wall portion (3a) and a suction side wall portion (3b), one in the A region of the blade tip (5) with the peripheral wall (3) connected plate-shaped crown base (4) and along the peripheral wall (3) extending squealer (7), wherein the peripheral wall (3) and the crown bottom (4) in the airfoil body ( 2) define a cavity (6), the squealer edge (7) on the outside with the peripheral wall (3) and radially over the crown bottom (4) protrudes and in the airfoil body (2) cooling channels (11) are formed, starting from the Cavity (6) to in the squealer (7) provided cooling fluid outlet openings (12), characterized in that in the end face (7b) of the squealer (7) at least one recess (9) is formed, in which at least part of the cooling channels (11) opens such that the cooling fluid outlet openings (12) are completely in a bottom region (9a) of the recess (9). Laufschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Bodenbereich (9a) der wenigstens einen Vertiefung (9) bezogen auf die radiale Richtung (R) zwischen der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) und der Außenfläche (4a) des Kronenbodens (4) angeordnet ist, wobei insbesondere der Bodenbereich (9a) als eine flache Bodenfläche ausgebildet ist, die gegenüber der Stirnfläche (7b) eine Tiefe (h1) besitzt, die im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm und bevorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm liegt.Blade according to claim 1,
characterized in that
the bottom region (9a) of the at least one depression (9) is arranged relative to the radial direction (R) between the end face (7b) of the squealer edge (7) and the outer surface (4a) of the crown base (4), wherein in particular the bottom region ( 9a) is formed as a flat bottom surface having a depth (h 1 ) opposite to the end surface (7b), which is in the range of 0.5 mm to 4.5 mm, and preferably in the range of 0.5 mm to 2.5 mm is located. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anstreifkante (7) bezogen auf die radiale Richtung (R) gegenüber der Außenfläche (4a) des Kronenbodens (4) eine Höhe (h) besitzt, die im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorteilhaft im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegt und bevorzugt 3,5 mm beträgt.Blade according to one of claims 1 or 2,
characterized in that
the squeal edge (7) relative to the radial direction (R) with respect to the outer surface (4a) of the crown base (4) has a height (h) in the range of 1 mm to 10 mm, preferably in the range of 1.5 mm to 6 mm and is preferably 3.5 mm. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) gegenüber der radialen Richtung (R) nach außen geneigt ist, wobei der Neigungswinkel (δ) in einer sich in radialer Richtung (R) erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante (7) senkrecht durchschneidet, und in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und bevorzugt weniger als 30° beträgt.Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
an inner surface (7a) of the squealer edge (7) is inclined outward with respect to the radial direction (R), the angle of inclination (δ) being measured in a plane extending in the radial direction (R) which perpendicularly intersects the squealer edge (7) , and is in the range of 0 ° to 45 °, and preferably less than 30 °. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die wenigstens eine Vertiefung (9) unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu der Innenseite der Anstreifkante (7) erstreckt, wobei insbesondere eine Stufenecke des Querschnitts, bevorzugt die Innenecke (10) abgerundet ist.Blade according to one of the preceding claims, characterized in that
the at least one recess (9) extends to form a stepped cross section up to the inside of the squealer edge (7), wherein in particular a step corner of the cross section, preferably the inner corner (10) is rounded. Laufschaufel nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) eine Breite (a1) besitzt, die geringer ist als die Dicke (d1) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9).Blade according to claim 5,
characterized in that
in the region of the at least one recess (9), the end face (7b) of the squealer edge (7) has a width (a 1 ) which is less than the thickness (d 1 ) of the peripheral wall (3) of the airfoil body (2) in the Area of the at least one recess (9). Laufschaufel nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) eine Breite (a1) besitzt, die geringer ist als die Breite (b1) des Bodenbereichs (9a) der wenigstens einen Vertiefung (9).Blade according to one of claims 5 or 6,
characterized in that
in the region of the at least one depression (9) the end face (7b) of the squealer edge (7) has a width (a 1 ) which is smaller than the width (b 1 ) of the bottom region (9a) of the at least one depression (9) , Laufschaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) und der Bodenbereich (9a) der Vertiefung (9) gemeinsam eine Breite (a1 + b1) besitzen, die etwa gleich der Dicke (d1) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) ist.Blade according to one of claims 5 to 7,
characterized in that
in the region of the at least one recess (9), the end face (7b) of the squealer edge (7) and the bottom portion (9a) of the recess (9) together have a width (a 1 + b 1 ) approximately equal to the thickness (i.e. 1 ) of the peripheral wall (3) of the airfoil body (2) in the region of the at least one recess (9). Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vertiefung (9) in der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) als Nut unter Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächenabschnitts ausgebildet ist, wobei insbesondere die Innenecken (10) der Vertiefung (9) abgerundet sind.Blade according to one of claims 1 to 4,
characterized in that
the recess (9) in the end face (7b) of the squealer (7) is formed as a groove while leaving an outside end face portion and an inside end face portion, wherein in particular the inner corners (10) of the recess (9) are rounded. Laufschaufel nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der Vertiefung (9) die Breite (a2) des außenseitigen Stirnflächenabschnitts und die Breite (c2) des innenseitigen Stirnflächenabschnitts der Anstreifkante (7) jeweils im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm liegen und bevorzugt mindestens 1 mm betragen, wobei das Verhältnis zwischen der außenseitigen Breite (a2) und der innenseitigen Breite (c2) im Bereich zwischen 0,7 und 1,3, insbesondere 0,9 und 1,1 liegt und bevorzugt 1 ist.Blade according to claim 9,
characterized in that
the width in the region of the depression (9) (a 2) of the outer side end surface portion and the width (c 2) of the inner side end face portion of the tip squealer (7) each lie within the range of 0.5 mm to 5 mm preferably at least 1 mm wherein the ratio between the outside width (a 2 ) and the inside width (c 2 ) is in the range between 0.7 and 1.3, in particular 0.9 and 1.1 and is preferably 1. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich in dem Bereich der Vertiefung (9) die Umfangswandung (3) in Richtung des Kronenbodens (4) zugunsten des Hohlraums (6) verjüngt, wobei sich die Dicke der Umfangswandung (3) von einer Ausgangsdicke (d1) auf eine verjüngte Dicke (d2) reduziert, die mindestens halb so groß wie die Ausgangsdicke (d1) ist, und wobei insbesondere die Verjüngung über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung (3) erfolgt, dessen Höhe (1) mindestens fünfmal und höchstens zehnmal so groß ist wie die Ausgangsdicke (d1).Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
in the region of the depression (9), the peripheral wall (3) tapers in the direction of the crown bottom (4) in favor of the cavity (6), the thickness of the peripheral wall (3) being from an initial thickness (d1) to a tapered thickness (d2 ), which is at least half as large as the initial thickness (d1), and wherein in particular the taper over a radial portion of the peripheral wall (3) whose height (1) is at least five times and at most ten times as large as the initial thickness (d1 ). Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (9) nur in einem von dem saugseitigen Wandabschnitt (3b) der Umfangswandung (3) abragenden Abschnitt der Anstreifkante (7) vorgesehen ist.Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the at least one depression (9) is provided only in a section of the squealer edge (7) projecting from the suction-side wall section (3b) of the peripheral wall (3). Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
genau eine Vertiefung (9) vorgesehen ist.Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
exactly one recess (9) is provided. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Vertiefungen (9) vorgesehen ist, in die jeweils ein Teil der Kühlkanäle (11) mündet und die insbesondere wenigstens ein Merkmal aus den Ansprüchen 2 bis 10 aufweisen.Blade according to one of claims 1 to 12,
characterized in that
a plurality of in the circumferential direction side by side arranged recesses (9) is provided, in each of which a part of the cooling channels (11) opens and in particular at least one feature of claims 2 to 10. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der wenigstens einen Vertiefung (9) die Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) in der Umfangsrichtung nebeneinander und beabstandet zueinander, insbesondere äquidistant und/oder entlang einer Linie angeordnet sind.Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
in the at least one recess (9) the cooling fluid outlet openings (12) in the circumferential direction next to each other and spaced from each other, in particular equidistant and / or are arranged along a line. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich jeder Kühlkanal (11) geradlinig erstreckt und/oder einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser besitzt, der im Bereich von 0,25 mm bis 2 mm liegt und bevorzugt 0,6 mm beträgt.Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
each cooling channel (11) extends in a straight line and / or has a circular cross-section with a diameter which is in the range of 0.25 mm to 2 mm and is preferably 0.6 mm. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) aufgeweitet sind, wobei die Aufweitungen (12a) insbesondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen Höhe (h5) höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durchmesser eines Kühlkanals (11) und/oder dessen Durchmesser (c5) höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der Durchmesser eines Kühlkanals (11).Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the cooling channels (11) are widened in the region of the cooling fluid outlet openings (12), wherein the widenings (12a) have, in particular, the shape of a cylinder whose height (h5) is at most five times, preferably as large as the diameter of a cooling channel (11) and / or whose diameter (c 5 ) is at most three times, preferably twice as large as the diameter of a cooling channel (11). Laufschaufel nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) als Bohrungen ausgebildet sind.Blade according to one of claims 16 or 17,
characterized in that
the cooling channels (11) are formed as bores. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 16 bis 18 und Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) gegenüber der radialen Richtung (R) geneigt sind, wobei die Neigungswinkel (θ) der Kühlkanäle (11), die jeweils in einer sich in radialer Richtung (R) erstreckenden Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante (7) senkrecht schneidet, gleich oder etwa gleich dem Neigungswinkel (δ) der Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) sind.A blade according to any one of claims 16 to 18 and claim 4,
characterized in that
the cooling channels (11) are inclined with respect to the radial direction (R), wherein the angles of inclination (θ) of the cooling channels (11), each measured in a plane extending in the radial direction (R), are perpendicular to the squealer edge (7) is equal to or approximately equal to the inclination angle (δ) of the inner surface (7a) of the squealer (7). Laufschaufel nach Anspruch 16 bis 19 und Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Kühlkanal (11) gegenüber einer zu der radialen Richtung (R) senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel oder in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel geneigt ist, wobei der Neigungswinkel (α) in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel und der Neigungswinkel (β) in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel jeweils in einer Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels (δ) senkrecht schneidet, gemessen werden, im Bereich zwischen 30° und 90° liegen und bevorzugt 45° betragen.A blade according to claims 16 to 19 and claim 4,

characterized in that
each cooling channel (11) is inclined to a direction perpendicular to the radial direction (R) in the direction of the leading edge of the blade or in the direction of the trailing edge of the blade, wherein the inclination angle (α) in the direction of the trailing edge of the blade and the inclination angle (β) in the direction of the leading edge of the blade in each case in a plane which perpendicularly intersects the measurement plane of the inclination angle (δ), be in the range between 30 ° and 90 ° and preferably 45 °. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Übergangsbereich (8) zwischen einer Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) und der Außenfläche (4a) des Kronenbodens (4) abgerundet ist.Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
a transition region (8) between an inner surface (7a) of the squealer edge (7) and the outer surface (4a) of the crown bottom (4) is rounded. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattkörper (2) durch Gießen oder in einem generativen Verfahren, insbesondere mittels 3D-Drucken hergestellt ist.Blade according to one of the preceding claims,
characterized in that
the airfoil body (2) is produced by casting or in a generative process, in particular by means of 3D printing.
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