EP3222814A1 - Blade, corresponding manufacturing method and corresponding turbo machine - Google Patents

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EP3222814A1
EP3222814A1 EP16162232.9A EP16162232A EP3222814A1 EP 3222814 A1 EP3222814 A1 EP 3222814A1 EP 16162232 A EP16162232 A EP 16162232A EP 3222814 A1 EP3222814 A1 EP 3222814A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
foam
blade
cavity
channel
airfoil
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16162232.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Bärow
Oliver Dominka
Guido Ederer
Christian Felsmann
Florian Fuchs
Robert Herfurth
Jose Angel Hernandez Maza
Michael Kluck
Eike Kohlhoff
Kay Krabiell
Khaled Maiz
Behnam Nouri
Andre Willmann
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP16162232.9A priority Critical patent/EP3222814A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F01D9/065—Fluid supply or removal conduits traversing the working fluid flow, e.g. for lubrication-, cooling-, or sealing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/612—Foam

Definitions

  • the invention relates to a blade for a turbomachine and a turbomachine having the blade and a method for producing the blade.
  • the invention is concerned with an internal cooling of a hollow airfoil.
  • cooling air is directed into the inner wall of the blade and impacted precisely on the inner wall of the blade.
  • Montierianasprobleme of a prefabricated sheet metal insert to be used along the longitudinal axis of the airfoil in the interior of the airfoil.
  • Another way to cool a blade for a turbomachine inside the airfoil is to pass through the airfoil with a plurality of cooling channels, which are in communication with a cooling air supply, so that the cooling channels are flowed through during operation of the turbomachine of cooling air and the Cool the blade by means of convective heat transport.
  • the object of the invention is to provide a blade for a turbomachine and a turbomachine having a blade, in which an effective internal cooling of the Scoop or the blade is guaranteed and the internal cooling is inexpensive to produce, especially in a complex geometric space shape of the blade in a simple manner.
  • the object of the invention is also to provide a particularly suitable manufacturing method for such a blade.
  • a blade according to the invention for a turbomachine in particular for a gas turbine, at least one cavity is present in the interior of the airfoil, wherein for introducing cooling air into the cavity at least one cavity at least partially passing through the channel is present, the channel at least partially by a porous Foam is surrounded and wherein the foam is at least partially filling the cavity in heat-conducting contact with at least one cavity bounding the blade blade wall.
  • a turbomachine according to the invention has at least one such blade.
  • the blade according to the invention takes the path to remove heat by means of a combination of heat conduction and convective heat transport from the interior of the blade.
  • a porous foam In the cavity of the airfoil at least partially filling a porous foam is arranged. Cooling air can be directed into the cavity, ie the interior of the blade, via the channel. The channel is in fluidic contact with and is at least partially surrounded by the porous foam. The foam is usually permeable to the cooling air, so formed open-porous. Cooling air, which passes through the channel into the interior of the blade, so in the porous Foam penetrate and flow through it due to its porosity.
  • the foam is in heat-conducting contact with a vane wall delimiting the cavity and thus conducts heat from the airfoil wall to the interior of the airfoil, which is received by the cooling air in a convective way and transported away.
  • the foam at least partially with closed pores. In this case, although no convection within the foam is possible. It is still a heat dissipation possible, as can be done by the foam heat conduction to the channel or the flowed through area of the foam and from there the above-described heat dissipation by convection.
  • the blade described above is advantageous in several respects.
  • the large flow around the surface of the foam allows a high cooling efficiency.
  • the homogeneous distribution of the foam allows uniform cooling. This often results in a superiority over the widely used and in principle well suited impingement cooling.
  • the channel may be formed in a preferred embodiment by a tubular body, which is the foam interspersed.
  • the tubular body preferably has a plurality of outlet openings, so that cooling air, which is introduced through the tubular body into the cavity, can easily leave the tubular body and flow through the foam.
  • the channel may also be appropriate not to form the channel by an additional component such as the tubular body, but by the foam itself.
  • the foam in the interior of the blade itself leaves open a cross-section in the form of a channel which is significantly larger than the pore sizes and which can be brought into fluidic communication with a cooling air supply.
  • the foam itself forms the boundary wall of the channel.
  • the cooling air which comes into contact with the foam via the channel, in this embodiment can penetrate directly into the open pores of the foam and thus flow through the foam.
  • the porosity of the foam it may be expedient to disperse this porosity in the cavity across this cavity.
  • an optimization of the total heat transport by adjusting both types of heat transport, namely the heat conduction and the convection heat transport can be achieved.
  • a stronger heat-conducting effect can be achieved.
  • a foam with greater porosity that is to say with a lower solids content per foam volume
  • the flow of the foam with cooling air and thus the convective heat transport can be improved.
  • the cooling air into the cavity of the airfoil it may be appropriate, for. As seen along the skeleton line of the blade to arrange the at least one channel closer to a profile leading edge than at a profile trailing edge of the airfoil. This makes it possible to make a preferred direction of the cooling air flow through the profile more pronounced. A flow within the cavity may form from a region closer to the profile leading edge to a region toward the profile trailing edge. To avoid misunderstandings, it should be stated that the connecting line of the circle centers inscribed in the blade profile is understood as the skeleton line.
  • a cross-sectional area of a channel in a region of greater profile thickness of the airfoil is greater than the cross-sectional area of a channel in a region of smaller profile thickness of the airfoil.
  • cooling air outlet openings in the region of the profile trailing edge of the airfoil.
  • the foam is designed as a metal foam. This achieves good heat conduction. Metal foams also have the required stability in a special way in order to withstand the high mechanical loads in a turbine blade, especially caused by the centrifugal force.
  • a turbomachine in particular a gas turbine, with a blade described above is particularly advantageous because it allows efficient cooling. This allows high temperatures of the gas to be expanded or compressed and thus high powers and efficiencies.
  • a suitable method for producing an aforementioned blade results when the foam is introduced into the cavity of the airfoil by means of a die-casting method.
  • a die casting method it is particularly easy to form channels, for example, by providing cores or by inserting tubular channels into the cavity before it is poured out by means of die casting.
  • FIG. 1 shows an airfoil 1, in which the cavity is filled with foam.
  • the cavity is filled with foam.
  • This is connected on the one side by a concave wall 4 and on the other side by a convex wall 5.
  • a cavity 6 is enclosed.
  • the cavity 6 is largely filled with metal foam 7, as shown by the hatching.
  • Free of the metal foam 7 is the channel 8, which is located in the vicinity of the profile leading edge 2.
  • the channel 8 is formed by a tube insert 9, which can be inserted into the cavity 6.
  • the pipe insert 9 must have a shape for the production, which actually allows the pipe insert 9 to be pushed into the cavity 6.
  • the remaining cavity 6 is filled with metal foam 7 by a die-casting process. This results in a simple manner, the above-described blade 1, whose cavity 6 is filled with metal foam 7 is, with the channel 8 remains free, so that cooling air can flow there unhindered.
  • the tube insert 9 has a plurality of openings.
  • the cooling air flowing through the channel can flow into the metal foam 7. Since an open-pore metal foam is selected, the cooling air can also flow through the metal foam 7, of course not as freely as in the channel 7. In the region of the profile trailing edge 3 openings not shown are present, at which the cooling air can escape.
  • the arrows indicate the forming flow.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine mit einem Schaufelblatt (1), wobei im Inneren des Schaufelblattes zumindest ein Hohlraum (6) vorhanden ist, wobei zum Einleiten von Kühlluft in den Hohlraum zumindest ein den Hohlraum zumindest teilweise durchsetzender Kanal (8) vorhanden ist, wobei der Kanal zumindest teilweise von einem porösen Schaum (7) umgeben ist und wobei der Schaum den Hohlraum zumindest teilweise füllend in wärmeleitendem Kontakt zu zumindest einer den Hohlraum begrenzenden Schaufelblattwandung (4, 5) steht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen der Schaufel sowie eine Strömungsmaschine mit den vorgenannten Schaufeln.The invention relates to a blade for a turbomachine with an airfoil (1), wherein at least one cavity (6) is present in the interior of the airfoil, wherein at least one passage (8) passing through the cavity for introducing cooling air into the cavity is present wherein the channel is at least partially surrounded by a porous foam (7) and wherein the foam is at least partially filling the cavity in heat-conducting contact with at least one cavity bounding the airfoil wall (4, 5). The invention further relates to a method for producing the blade as well as a turbomachine with the aforementioned blades.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine sowie eine Strömungsmaschine aufweisend die Schaufel und ein Verfahren zur Herstellung der Schaufel.The invention relates to a blade for a turbomachine and a turbomachine having the blade and a method for producing the blade.

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einer Innenkühlung eines hohlen Schaufelblattes.In particular, the invention is concerned with an internal cooling of a hollow airfoil.

Es ist bekannt, Schaufelblätter von Schaufeln für eine Gasturbine im Inneren hohl auszugestalten. Zur Ausbildung einer Prallkühlung wird in den Hohlraum üblicherweise ein Blecheinsatz eingesetzt, der eine Vielzahl von Bohrungen besitzt.It is known to design blades of blades for a gas turbine inside hollow. To form an impingement cooling a sheet metal insert is usually used in the cavity, which has a plurality of holes.

Durch Einleiten von Kühlluft in den Blecheinsatz wird Kühlluft über die Bohrungen zielgenau auf die Innenwand der Schaufel aufprallend geleitet. Je nach geometrischer Raumform des Schaufelblattes der Schaufel, beispielsweise bei verwundener oder gekrümmter Ausgestaltung der Längsachse des Schaufelblattes, ergeben sich Montierbarkeitsprobleme eines vorgefertigten Blecheinsatzes, der entlang der Längsachse des Schaufelblattes in den Innenraum des Schaufelblattes eingesetzt werden soll.By introducing cooling air into the sheet metal insert, cooling air is directed into the inner wall of the blade and impacted precisely on the inner wall of the blade. Depending on the geometric shape of the airfoil of the blade, for example, in a twisted or curved configuration of the longitudinal axis of the airfoil, Montierbarkeitsprobleme of a prefabricated sheet metal insert to be used along the longitudinal axis of the airfoil in the interior of the airfoil.

Eine weitere Möglichkeit, eine Schaufel für eine Strömungsmaschine im Inneren des Schaufelblattes zu kühlen besteht darin, das Schaufelblatt mit einer Mehrzahl von Kühlkanälen zu durchziehen, die mit einer Kühlluftversorgung in Verbindung stehen, so dass die Kühlkanäle im Betrieb der Strömungsmaschine von Kühlluft durchströmt werden und die Schaufel im Wege eines konvektiven Wärmetransportes kühlen.Another way to cool a blade for a turbomachine inside the airfoil is to pass through the airfoil with a plurality of cooling channels, which are in communication with a cooling air supply, so that the cooling channels are flowed through during operation of the turbomachine of cooling air and the Cool the blade by means of convective heat transport.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaufel für eine Strömungsmaschine und eine Strömungsmaschine aufweisend eine Schaufel zu schaffen, bei der eine wirksame Innenkühlung der Schaufel bzw. des Schaufelblattes gewährleistet ist und die Innenkühlung insbesondere bei einer komplexen geometrischen Raumform der Schaufel in einfacher Art und Weise kostengünstig herstellbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es zudem ein besonders geeignetes Herstellungsverfahren für eine derartige Schaufel zu schaffen.The object of the invention is to provide a blade for a turbomachine and a turbomachine having a blade, in which an effective internal cooling of the Scoop or the blade is guaranteed and the internal cooling is inexpensive to produce, especially in a complex geometric space shape of the blade in a simple manner. The object of the invention is also to provide a particularly suitable manufacturing method for such a blade.

Diese Aufgabe wird mit einer Schaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Schaufel sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.This object is achieved with a blade having the features of claim 1 and a turbomachine with the features of claim 9 and a manufacturing method having the features of claim 10. Advantageous embodiments of the blade are specified in the dependent claims 2 to 8.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, ist im Inneren des Schaufelblattes zumindest ein Hohlraum vorhanden, wobei zum Einleiten von Kühlluft in den Hohlraum zumindest ein den Hohlraum zumindest teilweise durchsetzender Kanal vorhanden ist, wobei der Kanal zumindest teilweise von einem porösen Schaum umgeben ist und wobei der Schaum den Hohlraum zumindest teilweise füllend in wärmeleitendem Kontakt zu zumindest einer den Hohlraum begrenzenden Schaufelblattwandung steht.In a blade according to the invention for a turbomachine, in particular for a gas turbine, at least one cavity is present in the interior of the airfoil, wherein for introducing cooling air into the cavity at least one cavity at least partially passing through the channel is present, the channel at least partially by a porous Foam is surrounded and wherein the foam is at least partially filling the cavity in heat-conducting contact with at least one cavity bounding the blade blade wall.

Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist zumindest eine derartige Schaufel auf.A turbomachine according to the invention has at least one such blade.

Die erfindungsgemäße Schaufel beschreitet den Weg, Wärme mittels einer Kombination aus Wärmeleitung und konvektivem Wärmetransport aus dem Inneren der Schaufel abzutransportieren. In dem Hohlraum des Schaufelblattes ist diesen zumindest teilweise füllend ein poröser Schaum angeordnet. Über den Kanal kann Kühlluft in den Hohlraum, also das Innere der Schaufel, geleitet werden. Der Kanal steht in fluidischem Kontakt mit dem porösen Schaum und ist zumindest teilweise von diesem umgeben. Der Schaum ist zumeist für die Kühlluft durchlässig, also offenporös ausgebildet. Kühlluft, welche durch den Kanal ins Innere der Schaufel gelangt, kann so in den porösen Schaum eindringen und diesen aufgrund seiner Porosität durchströmen. Der Schaum ist in wärmeleitendem Kontakt mit einer den Hohlraum begrenzenden Schaufelwandung und leitet somit von der Schaufelblattwandung Wärme ins Innere des Schaufelblattes, welche auf konvektivem Wege von der Kühlluft aufgenommen und abtransportiert wird. Mit der Erfindung gelingt es, eine besonders einfach herzustellende Innenkühlung einer Schaufel zur Verfügung zu stellen, auch wenn die Schaufel eine komplexe geometrische Raumform besitzt.The blade according to the invention takes the path to remove heat by means of a combination of heat conduction and convective heat transport from the interior of the blade. In the cavity of the airfoil at least partially filling a porous foam is arranged. Cooling air can be directed into the cavity, ie the interior of the blade, via the channel. The channel is in fluidic contact with and is at least partially surrounded by the porous foam. The foam is usually permeable to the cooling air, so formed open-porous. Cooling air, which passes through the channel into the interior of the blade, so in the porous Foam penetrate and flow through it due to its porosity. The foam is in heat-conducting contact with a vane wall delimiting the cavity and thus conducts heat from the airfoil wall to the interior of the airfoil, which is received by the cooling air in a convective way and transported away. With the invention, it is possible to provide a particularly easy to manufacture internal cooling of a blade, even if the blade has a complex geometric space shape.

Es ist aber auch möglich, den Schaum zumindest teilweise mit geschlossenen Poren zu versehen. In diesem Fall ist zwar keine Konvektion innerhalb des Schaums möglich. Es ist dennoch eine Wärmeabfuhr möglich, da durch den Schaum eine Wärmeleitung zum Kanal oder zum durchströmten Bereich des Schaums erfolgen kann und von dort die oben beschriebene Wärmeabfuhr durch Konvektion erfolgt.But it is also possible to provide the foam at least partially with closed pores. In this case, although no convection within the foam is possible. It is still a heat dissipation possible, as can be done by the foam heat conduction to the channel or the flowed through area of the foam and from there the above-described heat dissipation by convection.

Die oben beschriebene Schaufel ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Die große umströmte Fläche des Schaums ermöglicht eine hohe Kühleffektivität. Die homogene Verteilung des Schaums ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung. Damit ergibt sich oft eine Überlegenheit gegenüber der weithin verbreiteten und prinzipiell gut geeigneten Prallkühlung.The blade described above is advantageous in several respects. The large flow around the surface of the foam allows a high cooling efficiency. The homogeneous distribution of the foam allows uniform cooling. This often results in a superiority over the widely used and in principle well suited impingement cooling.

Ein weiterer nicht zu unterschätzender Vorteil ergibt sich dadurch, dass der Schaum wesentlich leichter an eine komplexe Schaufelgeometrie angepasst werden kann. Bei den bisher oft verwendeten Einsätzen, die als fertige Einsätze in die Schaufel eingeführt werden, gibt es ersichtliche Einschränkungen. Dabei muss bedacht werden, dass die Schaufeln wegen der strömungsmechanischen Optimierung oft komplex gekrümmt sind. Hier ergeben sich weitere Freiheiten, wenn nicht darauf geachtet werden muss, dass ein Kühleinsatz in die Schaufel eingeführt werden kann.Another not to be underestimated advantage results from the fact that the foam can be much easier adapted to a complex blade geometry. In the hitherto often used inserts, which are introduced as finished inserts in the blade, there are obvious limitations. It must be borne in mind that the blades are often curved in a complex manner due to the fluid mechanics optimization. This gives rise to further freedom, unless care must be taken that a cooling insert can be introduced into the blade.

Der Kanal kann dabei in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen rohrförmigen Körper gebildet sein, der den Schaum durchsetzt. Der rohrförmige Körper hat bevorzugt eine Vielzahl von Austrittsöffnungen, so dass Kühlluft, welche durch den rohrförmigen Körper in den Hohlraum eingebracht wird, den rohrförmigen Körper einfach verlassen und den Schaum durchströmen kann.The channel may be formed in a preferred embodiment by a tubular body, which is the foam interspersed. The tubular body preferably has a plurality of outlet openings, so that cooling air, which is introduced through the tubular body into the cavity, can easily leave the tubular body and flow through the foam.

Es versteht sich, dass jedenfalls dann, wenn der rohrförmige Körper als ganzer in die Schaufel eingebracht werden soll, die Schaufelgeometrie und die Geometrie des rohrförmigen Körpers gewissen Einschränkungen unterliegen, damit der rohrförmige Körper eingeführt werden kann. Allerdings sind diese Einschränkungen deutlich niedriger als bei einem kompletten Kühleinsatz, so dass es bei der obigen Darstellung, wonach eine komplexere Schaufelgeometrie möglich ist, bleibt.It should be understood that in any event, when the tubular body is to be inserted as a whole in the blade, the blade geometry and the geometry of the tubular body are subject to certain limitations, so that the tubular body can be inserted. However, these limitations are significantly lower than with a complete cooling insert, so that it remains in the above representation that a more complex blade geometry is possible.

Alternativ dazu kann es auch zweckmäßig sein, den Kanal nicht durch ein zusätzliches Bauteil wie den rohrförmigen Körper, sondern durch den Schaum selbst auszubilden. Dies gelingt beispielsweise wenn der Schaum im Inneren der Schaufel selbst einen gegenüber den Porengrößen deutlich vergrößerten Querschnitt in Form eines Kanales frei lässt, welcher in fluidische Kommunikation mit einer Kühlluftzufuhr bringbar ist. Bei einer derartigen Gestaltung bildet der Schaum selbst die Begrenzungswandung des Kanals. Die Kühlluft, die über den Kanal mit dem Schaum in Kontakt kommt, kann in dieser Ausführungsform direkt in die offenen Poren des Schaums eindringen und somit den Schaum durchströmen.Alternatively, it may also be appropriate not to form the channel by an additional component such as the tubular body, but by the foam itself. This is achieved, for example, when the foam in the interior of the blade itself leaves open a cross-section in the form of a channel which is significantly larger than the pore sizes and which can be brought into fluidic communication with a cooling air supply. With such a design, the foam itself forms the boundary wall of the channel. The cooling air, which comes into contact with the foam via the channel, in this embodiment can penetrate directly into the open pores of the foam and thus flow through the foam.

Hinsichtlich der Porosität des Schaumes kann es zweckmäßig sein, diese Porosität im Hohlraum über diesen Hohlraum hinweg inhomogen zu verteilen. Mit dieser Maßnahme kann örtlich eine Optimierung des Gesamtwärmetransports durch Anpassung beider Wärmetransportarten, nämlich der Wärmeleitung und des Konvektionswärmetransports, erreicht werden. Beispielsweise kann bei einem Schaum mit geringerer Porosität, das heißt höherem Feststoffanteil pro Schaumvolumen, ein stärkerer wärmeleitender Effekt erzielt werden. Bei einem Schaum mit größerer Porosität, das heißt mit geringerem Feststoffanteil pro Schaumvolumen, kann die Durchströmung des Schaumes mit Kühlluft und somit der konvektive Wärmetransport verbessert sein.With regard to the porosity of the foam, it may be expedient to disperse this porosity in the cavity across this cavity. With this measure, locally an optimization of the total heat transport by adjusting both types of heat transport, namely the heat conduction and the convection heat transport can be achieved. For example, in a foam with lower porosity, that is higher solids content per foam volume, a stronger heat-conducting effect can be achieved. For a foam with greater porosity, that is to say with a lower solids content per foam volume, the flow of the foam with cooling air and thus the convective heat transport can be improved.

Zum Einbringen der Kühlluft in den Hohlraum des Schaufelblattes kann es zweckmäßig sein, z. B. entlang der Skelettlinie der Schaufel gesehen, den zumindest einen Kanal näher an einer Profilvorderkante als an einer Profilhinterkante des Schaufelblattes anzuordnen. Hierdurch gelingt es, eine Vorzugsrichtung der Kühlluftströmung durch das Profil stärker auszuprägen. Es kann sich eine Strömung innerhalb des Hohlraums von einem Bereich näher an der Profilvorderkante zu einem Bereich hin zur Profilhinterkante ausbilden. Zur Vermeidung von Missverständnissen sei dargelegt, dass unter der Skelettlinie die Verbindungslinie der in das Schaufelprofil einbeschriebenen Kreismittelpunkte verstanden wird.For introducing the cooling air into the cavity of the airfoil, it may be appropriate, for. As seen along the skeleton line of the blade to arrange the at least one channel closer to a profile leading edge than at a profile trailing edge of the airfoil. This makes it possible to make a preferred direction of the cooling air flow through the profile more pronounced. A flow within the cavity may form from a region closer to the profile leading edge to a region toward the profile trailing edge. To avoid misunderstandings, it should be stated that the connecting line of the circle centers inscribed in the blade profile is understood as the skeleton line.

Bevorzugt ist es, entlang der Skelettlinie mehrere Kanäle anzuordnen, wobei insbesondere eine Querschnittsfläche eines Kanals in einem Bereich größerer Profildicke des Schaufelblattes größer ist als die Querschnittsfläche eines Kanals in einem Bereich kleinerer Profildicke des Schaufelblattes. Durch mehrere Kanäle gelingt es, einen Gesamtkanalquerschnitt, also die Summe von Einzelkanalquerschnitten, zu vergrößern und somit eine größere Menge an Kühlluft in den Hohlraum des Schaufelblattes verbringen zu können. Außerdem kann diese Maßnahme einen geringeren Materialaufwand, was den notwendigen Schaum angeht, bewirken.It is preferred to arrange a plurality of channels along the skeleton line, wherein in particular a cross-sectional area of a channel in a region of greater profile thickness of the airfoil is greater than the cross-sectional area of a channel in a region of smaller profile thickness of the airfoil. Through multiple channels, it is possible to increase a total channel cross-section, ie the sum of individual channel cross-sections, and thus to spend a larger amount of cooling air in the cavity of the airfoil can. In addition, this measure a lower cost of materials, as far as the necessary foam, cause.

Zum Ableiten der in den Hohlraum eingebrachten Kühlluft ist es zweckmäßig, im Bereich der Profilhinterkante des Schaufelblattes Kühlluftauslassöffnungen vorzusehen.For deriving the cooling air introduced into the cavity, it is expedient to provide cooling air outlet openings in the region of the profile trailing edge of the airfoil.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Schaum als Metallschaum ausgebildet. Damit wird eine gute Wärmeleitung erreicht. Metallschäume weisen auch in besonderer Weise die erforderliche Stabilität auf, um den hohen mechanischen Belastungen in einer Turbinenschaufel, vor allem durch die Zentrifugalkraft hervorgerufen, standzuhalten.In an expedient embodiment, the foam is designed as a metal foam. This achieves good heat conduction. Metal foams also have the required stability in a special way in order to withstand the high mechanical loads in a turbine blade, especially caused by the centrifugal force.

Eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einer vorbeschriebenen Schaufel ist besonders vorteilhaft, da damit eine effiziente Kühlung ermöglicht wird. Dies gestattet hohe Temperaturen des zu entspannenden oder zu verdichtenden Gases und damit hohe Leistungen und Wirkungsgrade.A turbomachine, in particular a gas turbine, with a blade described above is particularly advantageous because it allows efficient cooling. This allows high temperatures of the gas to be expanded or compressed and thus high powers and efficiencies.

Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen einer vorgenannten Schaufel ergibt sich, wenn der Schaum durch ein Druckgussverfahren in den Hohlraum des Schaufelblattes eingebracht wird. Mit einem solchen Druckgussverfahren ist es besonders einfach, Kanäle beispielsweise durch Vorsehen von Kernen auszubilden oder durch Einführen von rohrförmigen Kanälen in den Hohlraum bevor dieser mittels Druckguss ausgegossen wird.A suitable method for producing an aforementioned blade results when the foam is introduced into the cavity of the airfoil by means of a die-casting method. With such a die casting method, it is particularly easy to form channels, for example, by providing cores or by inserting tubular channels into the cavity before it is poured out by means of die casting.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a figure.

Dabei zeigt Figur 1 ein Schaufelblatt 1, bei der der Hohlraum mit Schaum gefüllt ist. Zu erkennen ist eine Profilvorderkante 2 und die Profilhinterkante 3. Diese wird auf der einen Seite durch eine konkave Wand 4 und auf der anderen Seite durch eine konvexe Wand 5 verbunden. Von den Wänden 4 und 5 wird ein Hohlraum 6 umschlossen. Der Hohlraum 6 ist mit Metallschaum 7 weitgehend gefüllt, wie durch die Schraffur dargestellt ist. Vom Metallschaum 7 frei ist der Kanal 8, der sich in der Nähe der Profilvorderkante 2 befindet. Der Kanal 8 wird durch einen Rohreinsatz 9 gebildet, der in den Hohlraum 6 eingeführt werden kann.1 shows an airfoil 1, in which the cavity is filled with foam. To recognize a profile leading edge 2 and the profile trailing edge 3. This is connected on the one side by a concave wall 4 and on the other side by a convex wall 5. From the walls 4 and 5, a cavity 6 is enclosed. The cavity 6 is largely filled with metal foam 7, as shown by the hatching. Free of the metal foam 7 is the channel 8, which is located in the vicinity of the profile leading edge 2. The channel 8 is formed by a tube insert 9, which can be inserted into the cavity 6.

Zur Herstellung muss der Rohreinsatz 9 freilich eine Form haben, die es erlaubt, den Rohreinsatz 9 tatsächlich in den Hohlraum 6 einzuschieben. Nachdem der Rohreinsatz 9 in den Hohlraum 6 eingeschoben ist, wird durch ein Druckgussverfahren der übrige Hohlraum 6 mit Metallschaum 7 ausgefüllt. Damit ergibt sich auf einfache Weise das oben geschilderte Schaufelblatt 1, dessen Hohlraum 6 mit Metallschaum 7 gefüllt ist, wobei der Kanal 8 frei bleibt, so dass Kühlluft dort ungehindert strömen kann.Of course, the pipe insert 9 must have a shape for the production, which actually allows the pipe insert 9 to be pushed into the cavity 6. After the tube insert 9 is inserted into the cavity 6, the remaining cavity 6 is filled with metal foam 7 by a die-casting process. This results in a simple manner, the above-described blade 1, whose cavity 6 is filled with metal foam 7 is, with the channel 8 remains free, so that cooling air can flow there unhindered.

Der Rohreinsatz 9 weist eine Vielzahl von Öffnungen auf. Damit kann die durch den Kanal strömende Kühlluft in den Metallschaum 7 strömen. Da ein offenporöser Metallschaum gewählt ist, kann die Kühlluft auch durch den Metallschaum 7 strömen, freilich nicht so ungehindert wie im Kanal 7. Im Bereich der Profilhinterkante 3 sind nicht dargestellte Öffnungen vorhanden, an denen die Kühlluft austreten kann. Die Pfeile zeigen die sich ausbildende Strömung an.The tube insert 9 has a plurality of openings. Thus, the cooling air flowing through the channel can flow into the metal foam 7. Since an open-pore metal foam is selected, the cooling air can also flow through the metal foam 7, of course not as freely as in the channel 7. In the region of the profile trailing edge 3 openings not shown are present, at which the cooling air can escape. The arrows indicate the forming flow.

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 (10)

Schaufel für eine Strömungsmaschine mit einem Schaufelblatt (1),
wobei im Inneren des Schaufelblattes (1) zumindest ein Hohlraum (6) vorhanden ist, wobei zum Einleiten von Kühlluft in den Hohlraum (6) zumindest ein den Hohlraum (6) zumindest teilweise durchsetzender Kanal (8) vorhanden ist, wobei der Kanal (8) zumindest teilweise von einem porösen Schaum (7) umgeben ist und wobei der Schaum (7) den Hohlraum (6) zumindest teilweise füllend in wärmeleitendem Kontakt zu zumindest einer den Hohlraum (6) begrenzenden Schaufelblattwandung (4, 5) steht.Blade for a turbomachine with an airfoil (1),
wherein inside the airfoil (1) at least one cavity (6) is present, wherein for introducing cooling air into the cavity (6) at least one cavity (6) at least partially passing through channel (8) is provided, wherein the channel (8 ) is at least partially surrounded by a porous foam (7) and wherein the foam (7) the cavity (6) at least partially filling in heat-conducting contact with at least one of the cavity (6) bounding the airfoil wall (4, 5). Schaufel nach Anspruch 1,
wobei der Kanal (8) durch einen rohrförmigen Körper (9) gebildet ist, der den Schaum (7) durchsetzt.Shovel according to claim 1,
wherein the channel (8) is formed by a tubular body (9) passing through the foam (7). Schaufel nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Kanal (8) durch den Schaum (7) selbst gebildet ist.A blade according to claim 1 or 2,
wherein the channel (8) is formed by the foam (7) itself. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Porosität des Schaumes (7) im Hohlraum (6) inhomogen verteilt ist.Shovel according to one of the preceding claims,
wherein the porosity of the foam (7) in the cavity (6) is distributed inhomogeneous. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei entlang der Skelettlinie der Schaufel (1) gesehen der zumindest eine Kanal (8) näher an einer Profilvorderkante (2) als an einer Profilhinterkante (3) des Schaufelblattes (1) angeordnet ist.Shovel according to one of the preceding claims,
wherein, viewed along the skeleton line of the blade (1), the at least one channel (8) is arranged closer to a profile leading edge (2) than to a profile trailing edge (3) of the blade (1). Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei entlang der Skelettlinie mehrere Kanäle (8) vorhanden sind, wobei insbesondere eine Querschnittsfläche eines Kanals (8) in einem Bereich größerer Profildicke größer ist als die Querschnittsfläche eines Kanals (8) in einem Bereich kleinerer Profildicke.Shovel according to one of the preceding claims,
wherein along the skeleton line a plurality of channels (8) are present, wherein in particular a cross-sectional area of a channel (8) in a region of greater profile thickness is greater than the cross-sectional area of a channel (8) in a region of smaller profile thickness. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei im Bereich einer Profilhinterkante (3) des Schaufelblattes (1) Kühlluftauslassöffnungen vorhanden sind.Shovel according to one of the preceding claims,
wherein in the region of a profile trailing edge (3) of the airfoil (1) cooling air outlet openings are present. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Schaum (7) ein Metallschaum ist.Shovel according to one of the preceding claims,
wherein the foam (7) is a metal foam. Strömungsmaschine,
aufweisend zumindest eine Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Flow machine,
comprising at least one blade according to one of claims 1 to 8. Verfahren zum Herstellen einer Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem der Schaum (7) durch ein Druckgussverfahren in den Hohlraum (6) des Schaufelblattes (1) eingebracht ist.A method of producing a blade according to any one of claims 1 to 8,
wherein the foam (7) is introduced by a die-casting process into the cavity (6) of the airfoil (1).
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