EP3249158A1 - Turbinenschaufel und axialströmungsmaschine - Google Patents

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EP3249158A1
EP3249158A1 EP16170802.9A EP16170802A EP3249158A1 EP 3249158 A1 EP3249158 A1 EP 3249158A1 EP 16170802 A EP16170802 A EP 16170802A EP 3249158 A1 EP3249158 A1 EP 3249158A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
chambers
chamber
axial flow
cavity
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Withdrawn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
EP16170802.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Heselhaus
Marcel SCHLÖSSER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP16170802.9A priority Critical patent/EP3249158A1/de
Publication of EP3249158A1 publication Critical patent/EP3249158A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/147Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/16Form or construction for counteracting blade vibration
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186Film cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/80Platforms for stationary or moving blades
    • F05D2240/81Cooled platforms

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade for an axial flow machine and the axial flow machine with the turbine blade.
  • An axial flow machine such as a gas turbine or a steam turbine, has rows of vanes, the vanes being either vanes mounted on the housing of the axial flow machine or blades mounted on the shaft of the axial flow machine.
  • the blades have a platform in the area of their blade roots which delimit the flow channel in a radial direction of the axial flow machine.
  • the blades may be arranged as compressor blades in a compressor or as turbine blades in a turbine.
  • the platforms of the turbine blades are exposed to a hot gas, for example water vapor or exhaust gases leaving a combustion chamber, which can lead to oxidation of the platforms and thus weakening of the base material of the platforms.
  • a hot gas for example water vapor or exhaust gases leaving a combustion chamber
  • the base material of the platforms is coated with a thermal barrier coating to avoid too high a temperature of the base material.
  • the use of the thermal barrier coating can lead to high temperature gradients in the platform, which can lead to flaking of the thermal barrier coating. The spalling causes the base material to be exposed to the hot gas, which can lead to the oxidation of the base material.
  • the platforms are cooled by providing cooling air holes in the platform that lead to the top and / or sides of the platform.
  • cooling air is passed through the Passage cooling air holes, whereby a cooling of the platform takes place.
  • cooling air bores disadvantageous in the platform warmer and colder areas, which can lead to the formation of mechanical stresses in the platform. These mechanical stresses can in turn lead to the chipping of the thermal barrier coating.
  • the object of the invention is therefore to provide a turbine blade for an axial flow machine and the axial flow machine with the turbine blade, are reduced in the mechanical stresses due to temperature gradients in a platform of the turbine blade.
  • the turbine blade for an axial flow machine comprises an airfoil, a platform and a cavity disposed inside the airfoil, the platform having a support wall to which the airfoil is fixedly mounted and which defines the cavity, at least one within the platform Chamber, which is arranged on the side facing away from the cavity of the support wall, and at least one arranged in the support wall through hole, which connects the cavity fluid-conductively connected to the chamber, so that a during operation of the axial flow in the cavity flowing cooling fluid from the cavity into the Chamber can flow, wherein the sum of the cross sections of the through holes perpendicular to the flow direction of the cooling fluid in the through holes is less than the sum of the cross sections of the chambers perpendicular to the flow direction of the cooling fluid in the chambers.
  • the chambers By providing the chambers, a more uniform cooling of the turbine blade is advantageously possible, as is the case by providing cooling air bores. As a result, during operation of the axial flow machine, the temperature gradients in the platform are low, thereby reducing mechanical stresses in the platform.
  • the support wall is advantageously provided for the airfoil a supporting structure.
  • the airfoil may flutter during operation of the axial flow machine, which is a self-excited vibration of the airfoil. The fluttering leads to a high load on the turbine blade, in particular in the region of the supporting structure. As a result, the slight weakening is especially advantageous in the area of the supporting structure.
  • the sum of the cross sections of the through holes perpendicular to the flow direction of the cooling fluid in the through holes is less than one tenth, in particular less than one twentieth, the sum of the cross sections of the chambers perpendicular to the flow direction of the cooling fluid in the chambers.
  • the flow direction of the cooling fluid in the through hole and in the chamber is preferably directed substantially in the circumferential direction of the axial flow machine.
  • the turbine blade has a blade root which is fixedly mounted on the side of the support wall facing away from the blade leaf. As a result, the blade root is a supporting structure for the supporting wall and thus indirectly a supporting structure for the blade.
  • the support wall preferably extends in the circumferential direction of the axial flow machine in a direction away from the cavity at least as far as the airfoil.
  • the support wall carries the blade particularly stable. It is particularly preferred that the support wall extends in the circumferential direction of the axial flow machine in a direction away from the cavity as far as the airfoil.
  • the support wall carries the blade particularly stable and at the same time the chamber is formed large, whereby a good cooling of the platform is possible.
  • the ratio of the length of the chamber in the circumferential direction of the axial flow machine to the Sum of the length of the chamber in the circumferential direction and the length of the through hole in the circumferential direction of 0.1 to 0.9, in particular from 0.5 to 0.9.
  • a plurality of the chambers are provided juxtaposed in the axial direction of the axial flow machine, and the ratio of the width of one of the chambers in the axial direction to the sum of the length of the one chamber in a circumferential direction of the axial flow and the Length of one of the through holes, which opens into the one chamber, in the circumferential direction is at most 1.
  • Two adjacent chambers are each separated by a partition. By providing the partition results in increased strength of the platform. In the event that only one of the chambers arranged next to one another in the axial direction is provided, the ratio can also be greater than 1.
  • a plurality of the chambers is provided, which is arranged side by side in the axial direction of the axial flow, and the distance of two adjacent chambers of the plurality is smaller than half, in particular smaller than one fifth, than the width of one of the chambers of the plurality. Due to the short distance of the chambers from each other a particularly uniform cooling of the platform is possible.
  • the accumulated widths in the axial direction of the axial flow machine of all the axially adjacent chambers are from 10% to 90%, particularly from 50% to 90%, of the platform width in the axial direction. This allows a good and homogeneous cooling of the platform.
  • the diameter of the through hole is preferably from 0.5 mm to 2 mm. Due to this diameter, only a slight weakening of the support wall occurs. It is preferable that at least one of the chambers on the pressure side of the airfoil and at least one of the chambers on the suction side of the airfoil are provided. This advantageously achieves uniform cooling of the entire platform.
  • the turbine blade preferably has at least one passageway passing through a first wall defining the chamber in an axial direction of the turbomachine at the side facing the airfoil.
  • the cooling fluid may enter the flow channel of the axial flow machine through the passageways and cause film cooling on the surface of the platform facing the flow channel.
  • the axial flow machine according to the invention has at least one of the turbine blades according to the invention.
  • the airfoil 2 has a front edge 6, a trailing edge 7, a blade tip 8, a pressure side 17 and a suction side 18.
  • the turbine blade 1 further has a platform 3, which is arranged on the blade tip 8 facing away from the end of the blade 2, and a blade root 9, which is arranged on the side facing away from the blade 2 of the platform 3.
  • the turbine blade 1 also has a cavity 4, which is arranged in the interior of the blade 2, the platform 3 and the blade root 9.
  • the airfoil 2 has at least one web 5, which connects the pressure side 17 with the suction side 18 and thus causes a stiffening of the airfoil.
  • the platform 3 has a support wall 14 which defines the cavity 4 and on which the blade 2 and the blade root 9 are fixedly mounted.
  • the support wall 14 extends in the radial direction r of the axial flow from the blade 2 to the blade root 9.
  • the platform 3 further comprises at least one arranged within the platform 3 chamber 10, which arranged on the side facing away from the cavity 4 of the support wall 14 is.
  • the support wall 14 is the area of the platform 3, which extends from the cavity 4 to the chamber 10.
  • the platform 3 has at least one through hole 11 arranged in the support wall 14, which connects the cavity 4 to the chamber 10 in a fluid-conducting manner.
  • FIG. 3 it can be seen, at least one of the chambers 10 with the associated through hole 11 on the pressure side 17 of the airfoil 2 and at least one of the chambers 10 is provided with the associated through hole 11 on the suction side of the airfoil 2.
  • FIG. 3 are represented by arrows 12 that during operation of the axial flow machine, a cooling fluid, such as cooling air, flows in the cavity 4 from the blade root 9 toward the blade tip 8.
  • a cooling fluid such as cooling air
  • cooling air holes are provided, through which the cooling fluid can escape from the cavity 4.
  • a portion of the cooling fluid flows from the cavity 4 via the through hole 11 into the chamber 10.
  • the sum of the cross sections of the through holes 11 perpendicular to the flow direction of the cooling fluid in the through holes 11 is less than, in particular less than one tenth than, in particular less than one
  • the flow direction of the cooling fluid in the through hole 11 and in the chamber 10 is directed substantially in the circumferential direction u of the axial flow machine.
  • the blade 2 has on its pressure side 17 immediately adjacent to the platform 3, a first curved portion 15, which protrudes in the circumferential direction u from the remaining pressure side 17.
  • the airfoil 2 has on its suction side 18 immediately adjacent to the platform 3, a second curved portion 16 which protrudes in the circumferential direction u from the remaining suction side 18.
  • the support wall 14 extends in the circumferential direction u of the axial flow in a direction away from the cavity 4 at least as far as the two curved portions 15, 16 of the airfoil 2 extends.
  • FIGS. 1 to 5 show that the platform 3 has a first wall 19 which bounds the chamber 10 in the radial direction r of the axial flow machine.
  • the platform 3 has a second wall 20 which bounds the chamber 10 opposite the first wall 19.
  • the platform 3 has a third wall 21 which bounds the chamber 10 in an axial direction a of the axial flow machine.
  • the platform 3 has a fourth wall 22 which bounds the chamber opposite the third wall 21.
  • the chamber 10 has a rectangular cross-section in the circumferential direction u. It is also possible not to provide the third wall 21 and the fourth wall 22, so that the working fluid can escape from the chamber 10 on both sides in the axial direction. Likewise, it is possible to provide a fifth wall which limits the chamber 10 in the circumferential direction 5 to the support wall 14.
  • FIGS. 1 . 4 and 5 show that the ratio of the length L1 of the chamber 10 in the circumferential direction u of the axial flow machine to the sum L of the length L1 of the chamber in the circumferential direction u and the length L2 of the through-hole 11 in the circumferential direction u is at least 0.5.
  • the ratio of the height s of the chamber in the radial direction r of the axial flow machine to a height h of the platform 3 in the radial direction r is 0.15 to 0.85, preferably 0.25 to 0.4, more preferably substantially 0.33.
  • the summed widths b in the axial direction a of the axial flow machine of all the chambers 10 arranged side by side in the axial direction a is from 50% to 100% of the platform width B in the axial direction a.
  • the diameter of the through hole 11 is from 0.3 mm to 2 mm.
  • the first embodiment according to FIGS. 1 to 3 has a plurality of the chambers 10, which in the axial direction a of the Axial flow machine is arranged side by side.
  • the first embodiment has one of the multiple numbers on the pressure side 17 and one of the multiple numbers on the suction side 18.
  • the second embodiment according to FIG. 4 and the third embodiment according to FIG. 5 each have a single one of the chambers 10 on the pressure side 17 and on the suction side 18.
  • the ratio of the width b of one of the chambers 10 in the axial direction to the sum L of the length L1 of the one chamber in a circumferential direction u of the axial flow machine and the length L2 is one of the through holes 11 opening into the one chamber
  • the distance d of two adjacent chambers 10 of the plurality is smaller than one-fifth, in particular smaller than one-tenth, as the width b of one of the chambers 10 of the plurality.
  • the first embodiment the webs 5, which connect the pressure side 17 with the suction side 18.
  • the arranged within the airfoil 2 cavity 4 is subdivided into subspaces.
  • one of the chambers 10 is provided for each partial space on each pressure side 17 and the suction side 18.
  • at least one of the through holes 10 is provided.
  • the chambers 10 may be arranged in the axial direction a in alignment with the subspaces.
  • the second embodiment according to FIG. 4 differs from the third embodiment according to FIG. 5 in that the chamber 10 of the second embodiment is made shorter in the axial direction a than the chamber 10 of the third embodiment.
  • each of the subspaces is fluidly connected to the chamber 11 via at least one of the through holes 10, whereas in the second embodiment, each of the subspaces is not fluidly connected to the chamber 11 Subspaces connected by means of at least one of the through holes 10 fluidly connected to the chamber 11.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Axialströmungsmaschine mit einem Schaufelblatt (2), einer Plattform (3) und einem Hohlraum (4), der im Inneren des Schaufelblatts (2) und der Plattform (3) angeordnet ist, wobei die Plattform (3) eine Abstützwand (14), an der das Schaufelblatt (2) fest angebracht ist und die den Hohlraum (4) begrenzt, mindestens eine innerhalb der Plattform (3) angeordnete Kammer (10), die an der dem Hohlraum (4) abgewandten Seite der Abstützwand (14) angeordnet ist, und mindestens ein in der Abstützwand (14) angeordnetes Durchgangsloch (11) aufweist, das den Hohlraum (4) fluidleitend mit der Kammer (10) verbindet, so dass ein im Betrieb der Axialströmungsmaschine in dem Hohlraum (4) strömendes Kühlfluid von dem Hohlraum (4) in die Kammer (10) strömen kann, wobei die Summe der Querschnitte der Durchgangslöcher (11) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Durchgangslöchern (11) geringer als die Summe der Querschnitte der Kammern (10) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Kammern (10) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Axialströmungsmaschine und die Axialströmungsmaschine mit der Turbinenschaufel.
  • Eine Axialströmungsmaschine, wie beispielsweise eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, weist Reihen von Schaufeln auf, wobei die Schaufeln entweder Leitschaufeln sind, die an dem Gehäuse der Axialströmungsmaschine angebracht sind, oder Laufschaufeln sind, die an der Welle der Axialströmungsmaschine angebracht sind. Die Schaufeln weisen im Bereich ihrer Schaufelfüße eine Plattform auf, die den Strömungskanal in einer radialen Richtung der Axialströmungsmaschine begrenzen. Die Schaufeln können als Verdichterschaufeln in einem Verdichter angeordnet sein oder als Turbinenschaufeln in einer Turbine.
  • Im Betrieb der Axialströmungsmaschine sind die Plattformen der Turbinenschaufeln einem heißen Gas ausgesetzt, beispielsweise Wasserdampf oder aus einer Brennkammer austretende Abgase, was zu einer Oxidation der Plattformen und damit einer Schwächung des Grundmaterials der Plattformen führen kann. Herkömmlich wird das Grundmaterial der Plattformen mit einer Wärmedämmschicht beschichtet, um eine zu hohe Temperatur des Grundmaterials zu vermeiden. Der Einsatz der Wärmedämmschicht kann jedoch zu hohen Temperaturgradienten in der Plattform führen, was zu einem Abplatzen der Wärmedämmschicht führen kann. Das Abplatzen führt dazu, dass das Grundmaterial dem heißen Gas ausgesetzt ist, was zu der Oxidation des Grundmaterials führen kann.
  • Herkömmlich werden die Plattformen gekühlt, in dem in der Plattform Kühlluftbohrungen vorgesehen werden, die bis zu der Oberseite und/oder den Seitenflächen der Plattform führen. Im Betrieb der Axialströmungsmaschine wird Kühlluft durch die Kühlluftbohrungen geleitet, wodurch eine Kühlung der Plattform erfolgt. Durch das Kühlen mittels der Kühlluftbohrungen entstehen jedoch nachteilig in der Plattform wärmere und kältere Bereiche, was zu der Bildung von mechanischen Spannungen in der Plattform führen kann. Diese mechanischen Spannungen können wiederum zu dem Abplatzen der Wärmedämmschicht führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Turbinenschaufel für eine Axialströmungsmaschine und die Axialströmungsmaschine mit der Turbinenschaufel zu schaffen, bei der mechanische Spannungen aufgrund von Temperaturgradienten in einer Plattform der Turbinenschaufel vermindert werden.
  • Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel für eine Axialströmungsmaschine weist ein Schaufelblatt, eine Plattform und einem Hohlraum auf, der im Inneren des Schaufelblatts angeordnet ist, wobei die Plattform eine Abstützwand, an der das Schaufelblatt fest angebracht ist und die den Hohlraum begrenzt, mindestens eine innerhalb der Plattform angeordnete Kammer, die an der dem Hohlraum abgewandten Seite der Abstützwand angeordnet ist, und mindestens ein in der Abstützwand angeordnetes Durchgangsloch aufweist, das den Hohlraum fluidleitend mit der Kammer verbindet, so dass ein im Betrieb der Axialströmungsmaschine in dem Hohlraum strömendes Kühlfluid von dem Hohlraum in die Kammer strömen kann, wobei die Summe der Querschnitte der Durchgangslöcher senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Durchgangslöchern geringer als die Summe der Querschnitte der Kammern senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Kammern ist.
  • Durch das Vorsehen der Kammern ist vorteilhaft eine gleichmäßigere Kühlung der Turbinenschaufel möglich, als es durch ein Vorsehen von Kühlluftbohrungen der Fall ist. Dadurch sind im Betrieb der Axialströmungsmaschine die Temperaturgradienten in der Plattform niedrig, wodurch mechanische Spannungen in der Plattform vermindert werden. Durch das Vorsehen der Abstützwand ist vorteilhaft für das Schaufelblatt eine tragende Struktur vorgesehen. Durch das Vorsehen der Durchgangslöcher mit ihren kleinen Querschnitten ist vorteilhaft nur eine geringe Schwächung der tragenden Struktur vorgesehen. Das Schaufelblatt kann im Betrieb der Axialströmungsmaschine flattern, was eine selbsterregte Schwingung des Schaufelblatts ist. Das Flattern führt zu einer hohen Belastung der Turbinenschaufel insbesondere im Bereich der tragenden Struktur. Dadurch ist die geringe Schwächung gerade im Bereich der tragenden Struktur besonders vorteilhaft.
  • Es ist bevorzugt, dass die Summe der Querschnitte der Durchgangslöcher senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Durchgangslöchern geringer als ein Zehntel, insbesondere geringer als ein Zwanzigstel, der Summe der Querschnitte der Kammern senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Kammern ist. Dies resultiert in einer besonders geringen Schwächung der tragenden Struktur. Die Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgangsloch und in der Kammer ist bevorzugt im Wesentlichen in der Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine gerichtet. Es ist bevorzugt, dass die Turbinenschaufel einen Schaufelfuß aufweist, der an der dem Schaufelblatt abgewandten Seite der Abstützwand fest angebracht ist. Dadurch ist der Schaufelfuß eine tragende Struktur für die Abstützwand und somit indirekt eine tragende Struktur für das Schaufelblatt.
  • Die Abstützwand erstreckt sich bevorzugt in der Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine in einer Richtung weg von dem Hohlraum mindestens so weit wie das Schaufelblatt. Dadurch trägt die Abstützwand das Schaufelblatt besonders stabil. Besonders bevorzugt ist, dass die Abstützwand sich in der Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine in einer Richtung weg von dem Hohlraum so weit wie das Schaufelblatt erstreckt. Dadurch trägt die Abstützwand das Schaufelblatt besonders stabil und gleichzeitig ist die Kammer groß ausgebildet, wodurch eine gute Kühlung der Plattform ermöglicht ist.
  • Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis aus der Länge der Kammer in der Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine zu der Summe aus der Länge der Kammer in der Umfangsrichtung und der Länge des Durchgangslochs in der Umfangsrichtung von 0,1 bis 0,9, insbesondere von 0,5 bis 0,9, beträgt. Durch diese derart großen Kammern ist vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Kühlung der Plattform ermöglicht.
  • Es ist bevorzugt, dass eine Mehrzahl der Kammern vorgesehen ist, die in der Axialrichtung der Axialströmungsmaschine nebeneinander angeordnet ist, und das Verhältnis aus der Breite einer der Kammern in der Axialrichtung zu der Summe aus der Länge der einen Kammer in einer Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine und der Länge eines der Durchgangslöcher, das in die eine Kammer mündet, in der Umfangsrichtung höchstens 1 ist. Zwei benachbarte Kammern sind dabei jeweils mittels einer Trennwand voneinander getrennt. Durch das Vorsehen der Trennwand ergibt sich eine erhöhte Festigkeit der Plattform. Für den Fall, dass nur eine der in der Axialrichtung nebeneinander angeordneten Kammern vorgesehen ist, kann das Verhältnis auch größer als 1 sein.
  • Es ist bevorzugt, dass eine Mehrzahl der Kammern vorgesehen ist, die in er Axialrichtung der Axialströmungsmaschine nebeneinander angeordnet ist, und der Abstand von zwei benachbarten Kammern der Mehrzahl kleiner ist als die Hälfte, insbesondere kleiner als ein Fünftel, als die Breite einer der Kammern der Mehrzahl. Durch den kurzen Abstand der Kammern voneinander ist eine besonders gleichmäßige Kühlung der Plattform ermöglicht.
  • Bevorzugtermaßen ist das Verhältnis aus der Höhe der Kammer in der Radialrichtung der Axialströmungsmaschine zu einer Höhe der Plattform in der Radialrichtung von 0,15 bis 0,85, bevorzugt von 0,25 bis 0,4, ganz bevorzugt von im Wesentlichen 0,33. Dadurch ist eine hohe Festigkeit der Plattform bei gleichzeitig einer guten Kühlbarkeit der Plattform gewährleistet.
  • Es ist bevorzugt, dass die aufsummierte Breiten in der Axialrichtung der Axialströmungsmaschine von all den in der Axialrichtung nebeneinander angeordneten Kammern von 10% bis 90%, insbesondere von 50% bis 90%, der Plattformbreite in der Axialrichtung ist. Dadurch ist eine gute und homogene Kühlbarkeit der Plattform ermöglicht. Der Durchmesser des Durchgangslochs ist bevorzugt von 0,5 mm bis 2 mm. Durch diesen Durchmesser tritt nur eine geringe Schwächung der Abstützwand ein. Es ist bevorzugt, dass mindestens eine der Kammern an der Druckseite des Schaufelblatts und mindestens eine der Kammern an der Saugseite des Schaufelblatts vorgesehen sind. Dadurch ist vorteilhaft eine gleichmäßige Kühlung der gesamten Plattform erreichbar.
  • Die Turbinenschaufel weist bevorzugt mindestens einen Durchgangskanal auf, der durch eine erste Wand hindurch führt, die die Kammer in einer Axialrichtung der Strömungsmaschine an der dem Schaufelblatt zugewandten Seite begrenzt. Im Betrieb der Axialströmungsmaschine kann das Kühlfluid durch die Durchgangskanäle in den Strömungskanal der Axialströmungsmaschine eintreten und eine Filmkühlung auf der den Strömungskanal zugewandten Oberfläche der Plattform bewirken.
  • Die erfindungsgemäße Axialströmungsmaschine weist mindestens eine der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel auf.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Turbinenschaufel für eine Axialströmungsmaschine,
    • Figur 2 einen Querschnitt der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 in der Axialrichtung der Axialströmungsmaschine,
    • Figur 3 einen Querschnitt der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 in der Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine.
    • Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Turbinenschaufel und
    • Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Turbinenschaufel.
  • Wie es aus Figuren 1 bis 5 ersichtlich ist, weist eine Turbinenschaufel 1 für eine Axialströmungsmaschine ein Schaufelblatt 2 auf. Das Schaufelblatt 2 weist eine Vorderkante 6, eine Hinterkante 7, eine Schaufelspitze 8, eine Druckseite 17 und eine Saugseite 18 auf. Die Turbinenschaufel 1 weist weiterhin eine Plattform 3, die an dem der Schaufelspitze 8 abgewandten Ende des Schaufelblatts 2 angeordnet ist, und einen Schaufelfuß 9 auf, der an der dem Schaufelblatt 2 abgewandten Seite der Plattform 3 angeordnet ist. Die Turbinenschaufel 1 weist zudem einen Hohlraum 4 auf, der im Inneren des Schaufelblatts 2, der Plattform 3 und des Schaufelfußes 9 angeordnet ist. Wie es aus Figuren 1, 4 und 5 ersichtlich ist, weist das Schaufelblatt 2 mindestens einen Steg 5 auf, der die Druckseite 17 mit der Saugseite 18 verbindet und somit eine Versteifung des Schaufelblatts bewirkt.
  • Die Plattform 3 weist eine Abstützwand 14 auf, die den Hohlraum 4 begrenzt und an der das Schaufelblatt 2 und der Schaufelfuß 9 fest angebracht sind. Die Abstützwand 14 erstreckt sich dabei in der Radialrichtung r der Axialströmungsmaschine von dem Schaufelblatt 2 bis zu dem Schaufelfuß 9. Die Plattform 3 weist weiterhin mindestens eine innerhalb der Plattform 3 angeordnete Kammer 10 auf, die an der dem Hohlraum 4 abgewandten Seite der Abstützwand 14 angeordnet ist. Die Abstützwand 14 ist dabei der Bereich der Plattform 3, der sich von dem Hohlraum 4 bis zu der Kammer 10 erstreckt. Zudem weist die Plattform 3 mindestens ein in der Abstützwand 14 angeordnetes Durchgangsloch 11 auf, das den Hohlraum 4 fluidleitend mit der Kammer 10 verbindet. Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, sind mindestens eine der Kammern 10 mit dem zugehörigen Durchgangsloch 11 an der Druckseite 17 des Schaufelblatts 2 und mindestens eine der Kammern 10 mit dem zugehörigen Durchgangsloch 11 an der Saugseite des Schaufelblatts 2 vorgesehen.
  • In Figur 3 sind durch Pfeile 12 dargestellt, dass im Betrieb der Axialströmungsmaschine ein Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft, in dem Hohlraum 4 von dem Schaufelfuß 9 in Richtung zu der Schaufelspitze 8 strömt. In der Schaufelspitze 8 sind Kühlluftlöcher (nicht dargestellt) vorgesehen, durch die das Kühlfluid aus dem Hohlraum 4 austreten kann. Ein Teil des Kühlfluids strömt von dem Hohlraum 4 via das Durchgangsloch 11 in die Kammer 10. Die Summe der Querschnitte der Durchgangslöcher 11 senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Durchgangslöchern 11 ist geringer als, insbesondere geringer als ein Zehntel als, insbesondere geringer als ein Zwanzigstel als, die Summe der Querschnitte der Kammern 10 senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Kammern 10. Die Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgangsloch 11 und in der Kammer 10 ist im Wesentlichen in der Umfangsrichtung u der Axialströmungsmaschine gerichtet.
  • Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, weist das Schaufelblatt 2 an seiner Druckseite 17 unmittelbar benachbart zu der Plattform 3 einen ersten gekrümmten Bereich 15 auf, der in der Umfangsrichtung u von der übrigen Druckseite 17 vorsteht. Das Schaufelblatt 2 weist an seiner Saugseite 18 unmittelbar benachbart zu der Plattform 3 einen zweiten gekrümmten Bereich 16 auf, der in der Umfangsrichtung u von der übrigen Saugseite 18 vorsteht. Die Abstützwand 14 erstreckt sich in der Umfangsrichtung u der Axialströmungsmaschine in einer Richtung weg von dem Hohlraum 4 mindestens so weit wie die beiden gekrümmten Bereiche 15, 16 des Schaufelblatts 2 erstreckt. Durch das Vorsehen der gekrümmten Bereiche 15, 16 und der Abstützwand 14 mit der vorgenannten Erstreckung ist das Schaufelblatt 2 vorteilhaft besonders fest an der Abstützwand 14 anbringbar. Ebenso ist in Figur 3 zu erkennen, dass die Abstützwand 14 in der Umfangsrichtung u der Axialströmungsmaschine außen mindestens die gleiche Erstreckung wie der radial außen liegende Bereich des Schaufelfußes 9 hat.
  • Figuren 1 bis 5 zeigen, dass die Plattform 3 eine erste Wand 19 aufweist, die die Kammer 10 in der Radialrichtung r der Axialströmungsmaschine begrenzt. Die Plattform 3 weist eine zweite Wand 20 auf, die die Kammer 10 gegenüberliegend zu der ersten Wand 19 begrenzt. Die Plattform 3 weist eine dritte Wand 21 auf, die die Kammer 10 in einer Axialrichtung a der Axialströmungsmaschine begrenzt. Die Plattform 3 weist eine vierte Wand 22 auf, die die Kammer gegenüberliegend zu der dritten Wand 21 begrenzt. Die Kammer 10 hat in der Umfangsrichtung u einen rechteckigen Querschnitt. Es ist auch möglich die dritte Wand 21 und die vierte Wand 22 nicht vorzusehen, so dass das Arbeitsfluid beidseitig in Axialrichtung aus der Kammer 10 austreten kann. Ebenso ist es möglich eine fünfte Wand vorzusehen, die die Kammer 10 in der Umfangsrichtung 5 gegenüberliegen zu Abstützwand 14 begrenzt.
  • Figuren 1, 4 und 5 zeigen, dass das Verhältnis aus der Länge L1 der Kammer 10 in der Umfangsrichtung u der Axialströmungsmaschine zu der Summe L aus der Länge L1 der Kammer in der Umfangsrichtung u und der Länge L2 des Durchgangslochs 11 in der Umfangsrichtung u mindestens 0,5 ist. Zudem gilt für alle dargestellten Turbinenschaufeln 1, dass das Verhältnis aus der Höhe s der Kammer in der Radialrichtung r der Axialströmungsmaschine zu einer Höhe h der Plattform 3 in der Radialrichtung r von 0,15 bis 0,85 ist, bevorzugt von 0,25 bis 0,4, ganz bevorzugt von im Wesentlichen 0,33. Weiterhin gilt für alle dargestellten Turbinenschaufeln 1, dass die aufsummierte Breiten b in der Axialrichtung a der Axialströmungsmaschine von all den in der Axialrichtung a nebeneinander angeordneten Kammern 10 von 50% bis 100% der Plattformbreite B in der Axialrichtung a ist. Zudem ist der Durchmesser des Durchgangslochs 11 von 0,3 mm bis 2 mm.
  • Die erste Ausführungsform gemäß Figuren 1 bis 3 weist eine Mehrzahl der Kammern 10 auf, die in der Axialrichtung a der Axialströmungsmaschine nebeneinander angeordnet ist. Dabei weist die erste Ausführungsform eine der Mehrzahlen an der Druckseite 17 und eine der Mehrzahlen an der Saugseite 18 auf. Die zweite Ausführungsform gemäß Figur 4 und die dritte Ausführungsform gemäß Figur 5 weisen jeweils eine einzelne der Kammern 10 an der Druckseite 17 und an der Saugseite 18 auf.
  • Bei der ersten Ausführungsform ist das Verhältnis aus der Breite b einer der Kammern 10 in der Axialrichtung zu der Summe L aus der Länge L1 der einen Kammer in einer Umfangsrichtung u der Axialströmungsmaschine und der Länge L2 eines der Durchgangslöcher 11, das in die eine Kammer mündet, in der Umfangsrichtung u höchstens 1. Zudem ist der Abstand d von zwei benachbarten Kammern 10 der Mehrzahl kleiner ist als ein Fünftel, insbesondere kleiner als ein Zehntel, als die Breite b einer der Kammern 10 der Mehrzahl.
  • Wie es aus Figuren 1, 4 und 5 ersichtlich ist, weist die erste Ausführungsform die Stege 5 auf, die die Druckseite 17 mit der Saugseite 18 verbinden. Durch das Vorsehen der Stege 5 wird der innerhalb der Schaufelblatts 2 angeordnete Hohlraum 4 in Teilräume unterteilt. Bei der ersten Ausführungsform ist für jeden Teilraum auf jeder Druckseite 17 und der Saugseite 18 jeweils eine der Kammern 10 vorgesehen. Für jede der Kammern 10 ist mindestens eins der Durchgangslöcher 10 vorgesehen. Die Kammern 10 können in der Axialrichtung a fluchtend mit den Teilräumen angeordnet sein.
  • Die zweite Ausführungsform gemäß Figur 4 unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform gemäß Figur 5 dahingehend, dass die Kammer 10 der zweiten Ausführungsform in der Axialrichtung a kürzer ausgeführt ist als die Kammer 10 der dritten Ausführungsform. Zudem ist bei der dritten Ausführungsform jeder der Teilräume mittels mindestens einem der Durchgangslöcher 10 fluidleitend mit der Kammer 11 verbunden, wohingegen bei der zweiten Ausführungsform nicht jeder der Teilräume mittels mindestens einem der Durchgangslöcher 10 fluidleitend mit der Kammer 11 verbunden ist.
  • 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.

Claims (15)

  1. Turbinenschaufel für eine Axialströmungsmaschine mit einem Schaufelblatt (2), einer Plattform (3) und einem Hohlraum (4), der im Inneren des Schaufelblatts (2) angeordnet ist, wobei die Plattform (3)
    a) eine Abstützwand (14), an der das Schaufelblatt (2) fest angebracht ist und die den Hohlraum (4) begrenzt,
    b) mindestens eine innerhalb der Plattform (3) angeordnete Kammer (10), die an der dem Hohlraum (4) abgewandten Seite der Abstützwand (14) angeordnet ist, und
    c) mindestens ein in der Abstützwand (14) angeordnetes Durchgangsloch (11) aufweist, das den Hohlraum (4) fluidleitend mit der Kammer (10) verbindet, so dass ein im Betrieb der Axialströmungsmaschine in dem Hohlraum (4) strömendes Kühlfluid von dem Hohlraum (4) in die Kammer (10) strömen kann,
    wobei die Summe der Querschnitte der Durchgangslöcher (11) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Durchgangslöchern (11) geringer als die Summe der Querschnitte der Kammern (10) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Kammern (10) ist.
  2. Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1,
    wobei die Summe der Querschnitte der Durchgangslöcher (11) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Durchgangslöchern (11) geringer als ein Zehntel, insbesondere geringer als ein Zwanzigstel, der Summe der Querschnitte der Kammern (10) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids in den Kammern (10) ist.
  3. Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgangsloch (11) und in der Kammer (10) im Wesentlichen in der Umfangsrichtung (u) der Axialströmungsmaschine gerichtet ist.
  4. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die Turbinenschaufel (1) einen Schaufelfuß (9) aufweist, der an der dem Schaufelblatt (2) abgewandten Seite der Abstützwand (14) fest angebracht ist.
  5. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei die Abstützwand (14) sich in der Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine in einer Richtung weg von dem Hohlraum (4) mindestens so weit wie das Schaufelblatt (2) erstreckt.
  6. Turbinenschaufel gemäß Anspruch 5,
    wobei die Abstützwand (14) sich in der Umfangsrichtung der Axialströmungsmaschine in einer Richtung weg von dem Hohlraum (4) so weit wie das Schaufelblatt (2) erstreckt.
  7. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei das Verhältnis aus der Länge (L1) der Kammer (10) in der Umfangsrichtung (u) der Axialströmungsmaschine zu der Summe (L) aus der Länge (L1) der Kammer in der Umfangsrichtung (u) und der Länge (L2) des Durchgangslochs (11) in der Umfangsrichtung (u) von 0,1 bis 0,9, insbesondere von 0,5 bis 0,9, beträgt.
  8. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei eine Mehrzahl der Kammern (10) vorgesehen ist, die in der Axialrichtung (a) der Axialströmungsmaschine nebeneinander angeordnet ist, und das Verhältnis aus der Breite (b) einer der Kammern (10) in der Axialrichtung zu der Summe (L) aus der Länge (L1) der einen Kammer in einer Umfangsrichtung (u) der Axialströmungsmaschine und der Länge (L2) eines der Durchgangslöcher (11), das in die eine Kammer mündet, in der Umfangsrichtung (u) höchstens 1 ist.
  9. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei eine Mehrzahl der Kammern (10) vorgesehen ist, die in der Axialrichtung (a) der Axialströmungsmaschine nebeneinander angeordnet ist, und der Abstand (d) von zwei benachbarten Kammern (10) der Mehrzahl kleiner ist als die Hälfte, insbesondere kleiner als ein Fünftel, als die Breite (b) einer der Kammern (10) der Mehrzahl.
  10. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    wobei das Verhältnis aus der Höhe (s) der Kammer in der Radialrichtung (r) der Axialströmungsmaschine zu einer Höhe (h) der Plattform (3) in der Radialrichtung (r) von 0,15 bis 0,85 ist, bevorzugt von 0,25 bis 0,4, ganz bevorzugt von im Wesentlichen 0,33.
  11. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
    wobei die aufsummierte Breiten (b) in der Axialrichtung (a) der Axialströmungsmaschine von all den in der Axialrichtung (a) nebeneinander angeordneten Kammern (10) von 10% bis 90%, insbesondere von 50% bis 90%, der Plattformbreite (B) in der Axialrichtung a ist.
  12. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11,
    wobei der Durchmesser des Durchgangslochs (11) von 0,5 mm bis 2 mm ist.
  13. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12,
    wobei mindestens eine der Kammern (10) an der Druckseite (17) des Schaufelblatts (2) und mindestens eine der Kammern (10) an der Saugseite des Schaufelblatts (2) vorgesehen sind.
  14. Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13,
    wobei die Turbinenschaufel (1) mindestens einen Durchgangskanal (11) aufweist, der durch eine erste Wand (19) hindurch führt, die die Kammer (10) in einer Axialrichtung (a) der Strömungsmaschine an der dem Schaufelblatt (2) zugewandten Seite begrenzt.
  15. Axialströmungsmaschine mit mindestens einer Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
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