EP3658751A1 - Schaufelblatt für eine turbinenschaufel - Google Patents

Schaufelblatt für eine turbinenschaufel

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EP3658751A1
EP3658751A1 EP18779293.2A EP18779293A EP3658751A1 EP 3658751 A1 EP3658751 A1 EP 3658751A1 EP 18779293 A EP18779293 A EP 18779293A EP 3658751 A1 EP3658751 A1 EP 3658751A1
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EP
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cooling
airfoil
wall
impingement cooling
impingement
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Heinz-Jürgen GROSS
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens AG
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Publication date
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    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to an airfoil for a turbine blade according to the preamble of claim 1.
  • a blade according to the preamble of claim 1 has long been known from the extensive existing state of the art.
  • the airfoil and in particular the entire gas turbine blade are usually produced in a precision casting process, so that cavities are present in the interior of the airfoil. These cavities can be flowed through by a coolant, usually cooling air, so that the metallic material of the blade and the turbine blade can permanently withstand the high temperatures occurring during operation.
  • a coolant usually cooling air
  • impingement cooling For cooling long-known different cooling concepts are used, one of which is referred to as impingement cooling. In this cooling air jets meet at a nearly vertical angle to the inner surfaces of the metallic blade wall to take up the heat energy contained therein and then transported with him.
  • the impact cooling walls required for the formation of the impingement cooling can on the one hand be cast or on the other hand can be provided by the installation of metal sheet inserts.
  • molded impingement cooling requires a minimum distance between the wall surface to be cooled and the impingement cooling wall having the impingement cooling openings, since the casting cores required for this purpose themselves require a minimum wall thickness for sufficient strength. If the perforated impingement cooling wall is mounted as an insert in an airfoil, further production and assembly steps are required for this, which increase the expense for producing the turbine blade.
  • leaks at the interface between the used Impact cooling insert and cast component and on the other wear phenomena occur, which can affect the cooling efficiency or the service life.
  • the object of the invention is therefore to provide a long-lasting blade for a turbine blade, which allows a particularly efficient cooling of the side walls of the blade.
  • the present invention contemplates that in a turbine blade airfoil comprising a suction side sidewall and a pressure side sidewall extending along a tread centerline from a common leading edge to a common trailing edge and in a spanwise direction from a root end to a head end extending at least partially enclose a cavity, wherein along the span inside a first perforated impingement cooling wall for impingement cooling of the leading edge and at least one further perforated impingement cooling wall for impingement cooling a portion of the suction side and / or pressure side side wall is provided, the impingement cooling openings of the first impingement cooling wall and the impingement cooling openings of at least one further impingement cooling wall are fluidly connected in series.
  • a cascaded impingement cooling is proposed in the interior of the airfoil, wherein starting from a first impingement cooling at the leading edge on the suction side and / or pressure side, at least one further impingement cooling section, preferably two further impingement cooling sections, is connected in cascading manner per side wall.
  • the invention is based on the finding that a series-connected impingement cooling (cascaded impingement cooling) makes it possible to use the cooling air several times and thus provide a uniformity of the temperature distribution along the cross section to achieve.
  • the region of the airfoil which is subjected to the highest thermal load, ie the region around the front edge, is fed and cooled down in a first baffle cooling section with the coolest cooling air.
  • the cooling air heats up for the first time and the blade temperature in the vicinity of the leading edge is reduced to a tolerable level.
  • the heated cooling air is then guided in a downstream section of the blade and used there again for impingement cooling of the side wall, whereby the local side wall is also lowered in its temperature and the cooling air is heated in turn.
  • an efficient use of cooling air is achieved, so that - compared to conventional airfoils - the saved cooling air can be used to increase the efficiency of the gas turbine.
  • the thermal constraint across the blade cross-section can be reduced. This can reduce the thermo-mechanical stress of the metallic blade, which can lead to an increased blade life. Due to the fact that the series-connected impingement cooling has small transverse flow components in spanwise direction, this is comparatively efficient.
  • an impingement cooling space is provided between the respective impingement cooling wall and the inside of the associated side wall, wherein downstream of the respective impingement cooling space a collecting space is provided, which immediately adjacent to the upstream further impingement cooling wall.
  • the relative terms “upstream” and “downstream” refer to the flow direction of the cooling air inside the airfoil, unless otherwise stated.
  • the collecting chambers serve as cavities in which the coolant that is further heated after an impingement cooling can be collected on the one hand and off on the other hand can pass through the baffle cooling openings of the subsequent impact cooling wall for further impingement cooling.
  • the collecting chambers extend in spanwise direction preferably over the entire length of the airfoil. Consequently, a homogenization of the pressure in the collecting space can take place.
  • a supply channel for supplying coolant for cooling the leading edge is provided between the first collecting space and the first impact cooling space.
  • This supply channel preferably extends over the entire span of the airfoil. He may, more preferably be tapered tapering from its foot-side end to the head end, so that on the assumption that the supply of coolant into the supply channel at the foot end, he has a larger flow area at the foot end than at his head end. This takes into account the fact that the coolant quantity present in the supply channel decreases as a result of the presence of baffle cooling openings in the baffle cooling wall with increasing distance from the foot-side end. The conical shape of the supply channel therefore leads to a homogenization of the flow velocity of the coolant along the Spannweiteraum.
  • the collection space is partially bounded by a projection which is impact-cooled.
  • side wall near outlet openings are arranged in the rib.
  • At least one further impact cooling device is provided on at least one side wall of the airfoil, preferably on both side walls. wall provided. Consequently, the first impingement cooling (the leading edge of the blade) in each case is followed by the suction-side impingement cooling and the impingement-side impingement cooling, whereby, however, the two further impingement cooling systems arranged on both sides of the profile center line are connected in parallel.
  • one of the two further impingement cooling chambers is arranged on the suction side and the other of the two further impingement cooling chambers is arranged on the pressure side and a separate collection space is arranged upstream of each of these two impingement cooling spaces.
  • These can preferably be provided by providing a first barrier rib.
  • the pressures of the coolant required in the respective collecting chambers can be adjusted in accordance with the local thermal loading of the suction-side and pressure-side side walls in such a way that efficient and locally adapted use of coolants takes place.
  • a further cavity is provided between two collecting chambers arranged on both sides of the profile center line.
  • this further cavity is separated from the collecting spaces by two second separating ribs.
  • the said cavity can on the one hand be used to reduce the size of the collecting spaces to a desired level, if a certain flow rate is to be achieved in the collecting spaces.
  • the further cavity can also be used to guide a further coolant from a head end to a foot end of the airfoil when this coolant is to be passed through the airfoil if possible without receiving heat energy.
  • Such blades can be produced in particular by means of an additive process.
  • An additive process is understood in particular to be the so-called SLM technique known as “selective laser melting.”
  • SLM technique known as "selective laser melting.”
  • This technology also known as 3D printing technology, makes it possible for metallic components to be comparatively small in comparison with conventionally cast turbine blades
  • Figure 2 shows the cross section according to the section line II-II
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of an airfoil according to the invention of a turbine blade.
  • a turbine blade 10 relating to the invention is shown in perspective in FIG.
  • the turbine blade 10 is designed according to FIG. 1 as a rotor blade.
  • the invention can also be used in a guide vane, not shown, of a vane.
  • the turbine blade 10 comprises a blade root 12 of a fir-tree-shaped cross-section and a platform 14 arranged thereon.
  • the platform 14 is adjoined by an airfoil 16 which is aerodynamically curved. Whether the blade 16 is covered by a thermal protection layer or not, is irrelevant to the invention.
  • the airfoil 16 includes a suction side wall 22 and a pressure side wall 24, which, relative to a hot gas flowing around the airfoil 16, extend from a front edge 18 to a rear edge 20. Along the trailing edge 20 a plurality of openings 28 are provided for blowing out coolant, which are separated from one another by webs 30 arranged therebetween.
  • the airfoil 16 extends along a spanwise direction from a foot-side end 26 to a head-side end 27. When using the shown turbine blade 10 in an axial flow gas turbine, the spanwise direction coincides with the radial direction of the gas turbine.
  • Figure 2 shows a sectional view through the airfoil 16 according to the section line II-II as a first exemplary embodiment of a blade according to the invention 16, whereas Figure 3 shows a second embodiment thereof.
  • Figure 3 shows a second embodiment thereof.
  • the blade 16 and the pressure-side side wall 24 and suction-side side wall 22 extend - as already explained - from the front edge 18, starting along a profile center line 32 to Trailing edge.
  • baffle cooling wall 34 is arranged at a distance from the inner surface of the front edge 18, so that a first baffle cooling space 36 is formed therebetween.
  • a supply channel 38 is provided on the first impingement cooling chamber 36 opposite side of the first impact cooling wall 34. This is separated by a first rib 40 from the remaining cavity of the airfoil 16. According to the cross-sectional plane, the first rib 40 extends from a suction-side rib end 37 to a pressure-side rib end 37 and has outlet openings 39 close to the side wall for the first impingement cooling chamber 36.
  • first impact cooling wall 34 for surface cooling of the front edge 18 and the suction side and pressure side regions of the side walls 22, 24 contiguous thereto.
  • first rib 40 Viewing along the profile center line 32 in the direction of the trailing edge , the first rib 40 is followed by a first collecting space 44, which is separated from a second collecting space 48 by a second rib 46. The latter is also limited by a third rib 50, so that further in the direction of the trailing edge, a third collecting space 52 connects.
  • the first plenum 44 is bounded on both the suction side and on the pressure side by two further impingement cooling walls 54.
  • baffle cooling openings 42 are arranged, so that first further baffle cooling chambers 56 are provided, with which corresponding sections of the suction-side and pressure-side side walls 22 and 24 are bounce-coolable.
  • Second additional impingement cooling chambers 59 are separated from the second collection space 48 by impact cooling walls 55. According to the embodiment shown, all others are
  • Impact cooling chambers 56, 59 laterally delimited by extending from the side walls 22, 24 inwardly extending projections 57.
  • Analogous to the first rib 40 go the second and third ribs 46, 50 at their rib ends 37 into the suction-side or pressure-side side wall 22, 24 and have side wall near outlet openings 39 there.
  • impingement cooling openings 42 outlet openings 39 are present, but that in the corresponding walls more of them at the corresponding position, preferably lying in a row, are distributed along the span.
  • a coolant is supplied to the supply channel 38 during operation through an opening, not shown, of the turbine blade 10. There, it spreads over the span of the blade and flows through the air jets forming the individual baffle cooling openings 42 of the first baffle cooling wall 34. The air jets bounce in a known manner on the inner surface of the leading edge and cool it as intended. Subsequently, the coolant flows through the outlet openings 39 of the first rib 40, after which it impinges on the projections 57 and is deflected by these into the first collecting space 44. From there it flows through the first and second further impact cooling walls 54, 55 for cooling the associated side wall sections. From the first and second impingement cooling chambers 56, 59, it passes through the outlet openings of the fins 46, 50 into the subsequent collection spaces 48, 52. After the coolant has cascaded the previously described cascading
  • the coolant in a known manner for cooling other sections of the airfoil 16 are used. It is conceivable that it is diverted on the one hand into a kind of meander cooling and finally blown out through the trailing edge openings 28. It is also possible that the coolant from the interior of the airfoil 16 is passed to the outside through film cooling openings (64, FIG. 3) arranged in the side walls 22, 24. The combination of both variants can make sense technically.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the turbine blade 10 according to the invention as a second exemplary embodiment.
  • the identical features are provided with the same reference symbols in FIG. 3, so that only the differences from the first exemplary embodiment are discussed below.
  • separating ribs 58, 60 are provided in the interior of the blade 16.
  • a first barrier rib 58 extends between the rib 40 and the further rib 46 along the profile centerline 32.
  • the barrier rib 58 divides the plenum 44 into two plenums 44a and 44b, the first of which is on the suction side and the second on the pressure side.
  • Two second separating ribs 60 extend along the and thus quasi-parallel to the profile center line 32 between the rib 46 and the rib 50, wherein, however, one of each suction side and one of which is arranged on the pressure side.
  • the plenum 48 of FIG. 2 is now split into two plenums 48a and 48b, however, due to the use of two second barrier ribs 60, another cavity 62 can be provided.
  • the further cavity 62 can be used for different purposes. For example, it is suitable for passing a part of the coolant from the foot-side end 26 of the blade 16 to a head-side end 27 of the blade 16, without this coming into contact with the comparatively hot side walls 22, 24. Thus, at the head end 27 of the airfoil be provided comparatively cool cooling air, which is particularly advantageous for vanes.
  • the cavity 62 is hermetically closed in order to guide the cooling air guided in the partial collecting spaces 48a, 48b closer to the impingement cooling walls 54 and the impingement cooling openings 42 arranged therein.
  • the invention thus relates to an airfoil 16 for a turbine blade 10, comprising a suction side Be tenwand 22 and a pressure-side side wall 24 extending along a profile center line 32 from a common leading edge 18 to a common trailing edge 20 and in a Spannweitecardi of a foot-side end 26th extending to a head end 27 at least partially enclosing a cavity, wherein along the span inside a first perforated impingement baffle 34 for impingement cooling of the leading edge 18 and at least one further perforated impingement cooling wall 54 for impingement cooling of a portion of the suction side and / or pressure side vane wall 22nd , 24 is provided.
  • the baffle cooling openings 42 of the first baffle cooling wall 34 and the at least one second baffle cooling wall 54 be fluidly connected in series.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für eine Turbinenschaufel, umfassend eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druckseitige Seitenwand (24), die sich längs einer Profilmittenlinie (32) von einer gemeinsamen Vorderkante (18) zu einer gemeinsamen Hinterkante (20) und in einer Spannweiterichtung von einem fußseitigen Ende (26) zu einem kopfseitigen Ende (27) erstreckend einen Hohlraum zumindest teilweise umschließen, wobei längs der Spannweite im Inneren eine erste perforierte mit Öffnungen versehene Prallkühlwand (34) zur Prall- kühlung der Vorderkante (18) und zumindest eine weitere perforierte Prallkühlwand (54) zur Prallkühlung eines Abschnitts der saugseitigen und/oder druckseitigen Seitenwand (22, 24) vorgesehen ist. Um eine besonders effiziente Kühlung der Turbinenschaufel (10) zu erreichen wird vorgeschlagen, dass die Prallkühlöffnungen (42) der ersten Prallkühlwand (34) und der zumindest einen zweiten Prallkühlwand (54) strömungstechnisch in Reihe geschaltet sind.

Description

Beschreibung
Schaufelblatt für eine Turbinenschaufel
Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechendes Schaufel- blatt ist aus dem umfangreichen vorhandenen Stand der Technik längstens bekannt. Das Schaufelblatt und insbesondere auch die gesamte Gasturbinenschaufel werden in der Regel in einem Feingussverfahren hergestellt, so dass im Inneren des Schaufelblatts Hohlräume vorhanden sind. Diese Hohlräume sind von einem Kühlmittel, zumeist Kühlluft, durchströmbar, damit das metallische Material des Schaufelblatts und der Turbinenschaufel den im Betrieb auftretenden hohen Temperaturen dauerhaft Stand halten kann. Zur Kühlung werden längst bekannte unterschiedliche Kühlkonzepte verwendet, von denen eines als Prallkühlung bezeichnet wird. Bei dieser treffen Kühlluftstrahlen in einem nahezu senkrechten Winkel auf die Innenflächen der metallischen Schaufelwand auf, um die darin enthaltene Wärmeenergie aufzu- nehmen und anschließend mit sich abzutransportieren. Die zur Ausbildung der Prallkühlung erforderlichen Prallkühlwände können einerseits mit gegossen werden oder andererseits durch Einbau metallischer Blecheinsätze bereitgestellt werden. Gegossene Prallkühlungen bedürfen aufgrund der Herstellung je- doch einem Mindestabstand zwischen der zu kühlenden Wandfläche und der die Prallkühlöffnungen aufweisenden Prallkühlwand, da die dafür erforderlichen Gusskerne selber eine Mindestwandstärke für eine ausreichende Festigkeit benötigen. Sofern die perforierte Prallkühlwand als Einsatz in einem Schaufelblatt montiert ist, bedarf es dafür weiterer Herstel- lungs- und Montageschritte, die den Aufwand zur Herstellung der Turbinenschaufel erhöhen. Darüber hinaus können zum einen Undichtigkeiten an der Nahtstelle zwischen dem eingesetzten Prallkühleinsatz und Gussbauteil und zum anderen Verschleiß- erscheinungen auftreten, was die Kühleffizienz bzw. die Le- bensdauer beeinträchtigen kann.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines langlebigen Schaufelblatts für eine Turbinenschaufel, welches eine besonders effiziente Kühlung der Seitenwände des Schaufelblatts ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schaufelblatt gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, dass bei einem Schaufelblatt für eine Turbinenschaufel, umfassend eine saugsei- tige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand, die sich entlang einer Profilmittenlinie von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante und in einer Spannweiterichtung von einem fußseitigen Ende zu einem kopfseitigen Ende erstreckend einen Hohlraum zumindest teilweise umschließen, wobei längs der Spannweite im Inneren eine erste perforierte Prallkühlwand zur Prallkühlung der Vorderkante und zumindest eine weitere perforierte Prallkühlwand zur Prallkühlung eines Abschnitts der saugseitigen und/oder druckseitigen Seitenwand vorgesehen ist, die Prallkühlöffnungen der ersten Prallkühlwand und die Prallkühlöffnungen der zumindest einen weiteren Prallkühlwand strömungstechnisch in Reihe geschaltet sind. Mit anderen Worten: Es wird eine kaskadierte Prallkühlung im Inneren des Schaufelblatts vorgeschlagen, wobei ausgehend von einer ersten Prallkühlung an der Vorderkante saug- seitig und/oder druckseitig zumindest einen weiteren Prallkühlabschnitt, vorzugsweise zwei weitere Prallkühlabschnitte, je Seitenwand kaskadierend nachgeschaltet ist bzw. sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine in Reihe geschaltete Prallkühlung (kaskadierte Prallkühlung) es erlaubt, die Kühlluft mehrfach zu nutzen und damit eine Ver- gleichmäßigung der Temperaturverteilung längs des Querschnitts zu erzielen. Der thermisch am höchsten belastete Bereich des Schaufelblatts, d.h. der Bereich um die Vorderkante herum, wird in einem ersten Prallkühlabschnitt mit der kühls- ten Kühlluft bespeist und prallgekühlt. Während der ersten Prallkühlung heizt sich die Kühlluft erstmalig auf und die Schaufeltemperatur in der Umgebung der Vorderkante wird auf ein erträgliches Maß reduziert. Die aufgeheizte Kühlluft wird anschließend in einem stromab gelegenen Abschnitt des Schau- felblatts geführt und dort erneut zur Prallkühlung der Seitenwand verwendet, wodurch die dortige Seitenwand ebenso in ihrer Temperatur abgesenkt und die Kühlluft wiederum aufgeheizt wird. Damit wird eine effiziente Verwendung von Kühlluft erreicht, so dass - verglichen mit konventionellen Schaufelblättern - die eingesparte Kühlluft zur Effizienzsteigerung der Gasturbine herangezogen werden kann.
Weil die aufgeheizte Kühlluft gezielt in nachfolgenden Abschnitten eine geringere Kühlwirkung erzielt, kann die ther- mische Verzwängung über den Schaufelquerschnitt reduziert werden. Dies kann die thermo-mechanische Belastung des metallischen Schaufelblatts reduzieren, was zu einer erhöhten Lebensdauer des Schaufelblatts führen kann. Aufgrund der Tatsache, dass die in Reihe geschaltete Prallkühlung geringe Quer- Strömungskomponenten in Spannweiterichtung aufweist, ist diese vergleichsweise effizient.
Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der betreffenden Prallkühlwand und der Innenseite der zugehörigen Seitenwand ein Prallkühlraum vorgesehen, wobei stromab des betreffenden Prallkühlraums ein Sammelraum vorgesehen ist, der unmittelbar stromauf an der stromab gelegenen weiteren Prallkühlwand angrenzt. Die relativen Begriffe „stromauf" und „stromab" beziehen sich auf die Strömungsrichtung der Kühlluft im Inneren des Schaufelblatts, sofern nichts anderes erwähnt. Die Sammelräume dienen als Ka- vitäten, in denen das nach einer Prallkühlung weiter aufgeheizte Kühlmittel einerseits gesammelt werden kann und es aus dem andererseits durch die Prallkühlöffnungen der nachfolgenden Prallkühlwand zur weiteren Prallkühlung hindurchtreten kann. Für den Fall, dass aufgrund von Bauteiltoleranzen längs der Spannweite betrachtet unterschiedliche Durchströmungsquerschnitte lokal vorhanden sind, erstrecken sich die Sammelräume in Spannweiterichtung vorzugsweise über die gesamte Länge des Schaufelblatts. Folglich kann eine Vergleichmäßigung des Drucks im Sammelraum erfolgen.
Weiter bevorzugt ist zwischen dem ersten Sammelraum und dem ersten Prallkühlraum ein Versorgungskanal zum Zuführen von Kühlmittel zur Kühlung der Vorderkante vorgesehen. Dieser Versorgungskanal erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Spannweite des Schaufelblatts. Dabei kann er, weiter bevorzugt, von seinem fußseitigen Ende zu dem kopfseitigen Ende spitzer werdend zulaufend sein, so dass unter der Voraussetzung, dass die Zuführung des Kühlmittels in den Versorgungskanal am fußseitigen Ende erfolgt, er am fußseitigen Ende einen größeren Durchströmungsquerschnitt aufweist als an seinem kopfseitigen Ende. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass durch das Vorhandensein von Prallkühlöffnungen in der Prallkühlwand mit zunehmender Entfernung vom fußseitigen Ende die im Versorgungskanal vorhandene Kühlmittelmenge abnimmt. Die konische Form des Versorgungskanals führt daher zu einer Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels längs der Spannweiterichtung.
Weiter bevorzugt ist der Sammelraum teilweise von einem Vorsprung begrenzt, welcher prallgekühlt ist. Vorzugsweise sind dafür seitenwandnahe Auslassöffnungen in der Rippe angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung kann eine vergleichmäßigte Temperatur der saugseitigen und/oder druckseitigen Seitenwand längs des Schaufelprofils, also von Vorderkante in Richtung der Hinterkante, erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an zumindest einer Seitenwand des Schaufelblatts, vorzugsweise an beiden Seitenwänden jeweils zumindest eine weitere Prallkühl- wand vorgesehen. Mithin folgen der ersten Prallkühlung (der Vorderkante des Schaufelblatts) jeweils in Reihe die saugsei- tige Prallkühlung und die druckseitige Prallkühlung, wobei jedoch die beiden weiteren, beidseitig der Profilmittellinie angeordneten Prallkühlungen allein für sich betrachtet, parallel geschaltet sind.
Weiter ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der eine der beiden weiteren Prallkühlräume saugseitig und der andere der beiden weiteren Prallkühlräume druckseitig angeordnet und jedem dieser beiden Prallkühlräume ein separater Sammelraum vorgeschaltet ist. Diese lassen sich vorzugsweise durch die Bereitstellung einer ersten Trennrippe bereitstellen. In diesem Fall können die in den betreffenden Sammelräumen erforderlichen Drücke des Kühlmittels gemäß der lokalen thermischen Belastung der saugsei- tigen und druckseitigen Seitenwände so eingestellt werden, dass hier eine effiziente sowie lokal angepasste Verwendung von Kühlmitteln erfolgt.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn zwischen zwei beidseitig der Profilmittenlinie angeordneten Sammelräume ein weiterer Hohlraum vorgesehen ist. Vorzugsweise wird dieser weitere Hohlraum durch zwei zweite Trennrippen von den Sammelräumen abgetrennt. Der besagte Hohlraum kann einerseits genutzt werden um die Größe der Sammelräume auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren, wenn in den Sammelräumen eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden soll. Andererseits kann der weitere Hohlraum auch dafür genutzt werden, ein weiteres Kühlmittel von einem kopfseitigen Ende zu einem fußseitigen Ende des Schaufelblatts zu führen, wenn dieses Kühlmittel nach Möglichkeit ohne Aufnahme von Wärmeenergie lediglich durch das Schaufelblatt hindurchgeführt werden soll .
Zur Vermeidung von Leckagen an Kühlmittel innerhalb des Schaufelblatts ist es von Vorteil, wenn dieses monolithisch, d.h. einstückig ausgestaltet ist. Derartige Schaufelblätter lassen sich insbesondere mittels eines additiven Verfahrens herstellen. Unter einem additiven Verfahren wird insbesondere die sogenannten SLM-Technik verstanden, die als „Selective Laser Melting" bekannt ist. Diese auch als 3D-Druck-Technik bezeichnete Technologie ermöglich es für metallische Bauteile, im Vergleich zu konventionell gegossen hergestellten Turbinenschaufeln vergleichsweise kleine und in ihren Abmaßen exakte Hohlräume und Durchtrittsöffnungen herzustellen. Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, so soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das jeweilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter „ein" bzw. „eine" nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmte Artikel zu verstehen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise wie diese erreicht wer- den, werden verständlich im Zusammenhang mit der folgenden
Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Hierbei sind die Figuren lediglich schematisch dargestellt, wodurch insbesondere keine Einschränkung der Ausführbarkeit der Erfindung die Folge ist.
Es zeigen: Figur 1 eine Turbinenschaufel in einer perspektivischen schematischen Darstellung,
Figur 2 den Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II
durch das Schaufelblatt der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel und
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaufelblatts einer Turbinenschaufel. Nachfolgend sind die technischen Merkmale, welche mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, solche, die die gleiche technische Wirkung aufweisen. Eine die Erfindung betreffende Turbinenschaufel 10 ist in Figur 1 perspektivisch dargestellt. Die Turbinenschaufel 10 ist gemäß Figur 1 als Laufschaufei ausgebildet. Die Erfindung kann auch in einer nicht dargestellten Leitschaufel einer Leitschaufel verwendet werden. Die Turbinenschaufel 10 um- fasst einen im Querschnitt tannenbaumförmigen Schaufelfuß 12 sowie eine daran angeordnete Plattform 14. An die Plattform 14 schließt sich ein Schaufelblatt 16 an, welches aerodynamisch gekrümmt ist. Ob das Schaufelblatt 16 von einer thermischen Schutzschicht überzogen ist oder nicht, ist für die Er- findung unerheblich. Das Schaufelblatt 16 umfasst eine Saugseitenwand 22 sowie eine Druckseitenwand 24, die sich, bezogen auf ein das Schaufelblatt 16 umströmendes Heißgas, von einer Vorderkante 18 zu einer Hinterkante 20 erstrecken. Entlang der Hinterkante 20 sind eine Vielzahl von Öffnungen 28 zur Ausblasung von Kühlmittel vorgesehen, welche durch dazwischen angeordnete Stege 30 voneinander getrennt sind. Das Schaufelblatt 16 erstreckt sich längs einer Spannweiterichtung von einem fußseitigen Ende 26 zu einem kopfseitigen Ende 27. Bei einer Verwendung der gezeigten Turbinenschaufel 10 in einer axial durchströmten Gasturbine deckt sich die Spannweiterichtung mit der Radialrichtung der Gasturbine.
Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch das Schaufelblatt 16 gemäß der Schnittlinie II-II als erstes Ausführungsbei- spiel eines erfindungsgemäßen Schaufelblatts 16, wohingegen Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel dafür zeigt. In beiden Figuren ist lediglich der in Bezug auf das Heißgas der Gasturbine vorderkantenseitiger Bereich des Schaufelblatts 16 dargestellt, der hintere Teil und die Hinterkante des Schau- felblatts 16 sind nicht ersichtlich. Das Schaufelblatt 16 und dessen druckseitige Seitenwand 24 und saugseitige Seitenwand 22 erstrecken sich - wie bereist erläutert - von der Vorderkante 18 ausgehend entlang einer Profilmittenlinie 32 zur Hinterkante. Im Inneren des Schaufelblatts 16 ist eine erste perforierte, d.h. mit Prallkühlöffnungen 42 versehene Prallkühlwand 34 unter Abstand zur Innenfläche der Vorderkante 18 angeordnet, so dass dazwischen ein erster Prallkühlraum 36 ausgebildet ist. Ein Versorgungskanal 38 ist auf der dem ersten Prallkühlraum 36 gegenüberliegenden Seite der ersten Prallkühlwand 34 vorgesehen. Dieser wird durch eine erste Rippe 40 von dem restlichen Hohlraum des Schaufelblatts 16 getrennt. Die erste Rippe 40 erstreckt sich gemäß der Quer- schnittsebene von einem saugseitigen Rippenende 37 zu einem druckseitigen Rippenende 37 und weist seitenwandnahe Auslassöffnungen 39 für den ersten Prallkühlraum 36 auf.
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in der ers- ten Prallkühlwand 34 vier in der Schnittebene liegende Prallkühlöffnungen 42 vorgesehen zur flächigen Kühlung der Vorderkante 18 und der unmittelbar daran angrenzenden saugseitigen und druckseitigen Bereiche der Seitenwände 22, 24. Entlang der Profilmittenlinie 32 betrachtend in Richtung der Hinterkante, folgt der ersten Rippe 40 ein erster Sammelraum 44, der durch eine zweite Rippe 46 von einem zweiten Sammelraum 48 abgetrennt ist. Letzter ist ebenso durch eine dritte Rippe 50 begrenzt, sodass weiter in Richtung Hinterkante sich ein dritter Sammelraum 52 anschließt. Der erste Sammelraum 44 wird sowohl saugseitig als druckseitig von zwei weiteren Prallkühlwänden 54 begrenzt. Auch in diesen sind Prallkühlöffnungen 42 angeordnet, so dass erste weitere Prallkühlräume 56 bereitgestellt sind, mit denen entsprechende Abschnitte der saugseitigen und druckseitigen Seitenwände 22 bzw. 24 prallkühlbar sind. Zweite weitere Prallkühlräume 59 sind durch Prallkühlwände 55 von dem zweiten Sammelraum 48 getrennt . Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle weiteren
Prallkühlräume 56, 59 durch sich von den Seitenwänden 22, 24 nach innen erstreckemde Vorsprünge 57 seitlich begrenzt. Analog zur ersten Rippe 40 gehen die zweite und dritte Rippen 46, 50 an ihren Rippenenden 37 in die saugseitige bzw. druckseitige Seitenwand 22, 24 über und weisen dort seitenwandnahe Auslassöffnungen 39 auf. Aufgrund der gewählten Anordnung von Sammelräumen 44, 48, 52, Prallkühlwänden 34, 54, Prallkühlräumen 36, 56, Auslassöffnungen 39 und Vorsprüngen 57 ist es offensichtlich, dass das Kühlmittel sowohl saugseitig als auch druckseitig in mehreren nacheinander geschalteten Prallkühlanordnungen mehrfach prallkühlend verwendet wird, um die Temperaturen der Schaufelwände 22, 24 auf ein gewünschtes Niveau zu reduzieren.
Es versteht sich von selbst, dass nicht nur die dargestellten Prallkühlöffnungen 42, Auslassöffnungen 39 vorhanden sind, sondern dass in den entsprechenden Wänden weitere davon an der entsprechenden Position, vorzugsweise in einer Reihe liegend, längs der Spannweite verteilt sind.
Im Detail wird beim Betrieb durch eine nicht gezeigte Öffnung der Turbinenschaufel 10 ein Kühlmittel dem Versorgungskanal 38 zugeführt. Dort verteilt es sich über die Spannweite des Schaufelblatts und durchströmt luftstrahlenbildend die einzelnen Prallkühlöffnungen 42 der ersten Prallkühlwand 34. Die Luftstrahlen prallen in bekannter Manier auf die Innenfläche der Vorderkante und kühlen diese bestimmungsgemäß. Anschließend strömt das Kühlmittel durch die Auslassöffnungen 39 der ersten Rippe 40, wonach es prallkühlend auf die Vorsprünge 57 trifft und von diesen in den ersten Sammelraum 44 umgelenkt wird. Von dort aus strömt es durch die ersten und zweiten weiteren Prallkühlwande 54, 55 zur Kühlung der zugehörigen Seitenwandabschnitte . Aus den ersten und zweiten Prallkühlräumen 56, 59 gelangt es durch die Auslassöffnungen der Rippen 46, 50 in die nachfolgenden Sammelräume 48, 52. Nachdem das Kühlmittel die voran beschriebene kaskadierte
Prallkühlanordnung durchströmt hat, gelangt es in den Sammelraum 52. Von dort aus kann das Kühlmittel in bekannter Art und Weise zur Kühlung weitere Abschnitte des Schaufelblatts 16 verwendet werden. Es ist denkbar, dass es einerseits in eine Art Mäanderkühlung umgeleitet und abschließend durch die Hinterkantenöffnungen 28 ausgeblasen wird. Ebenso ist es möglich, dass das Kühlmittel aus dem Inneren des Schaufelblatts 16 durch in den Seitenwänden 22, 24 angeordnete Filmkühlöffnungen (64, Fig. 3) nach außen geleitet wird. Auch die Kombination beider Variante kann technisch Sinn ergeben.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 als zweites Ausführungsbeispiel. In Analogie zu Figur 2 sind in Figur 3 die identischen Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen wird.
Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel sind Trennrippen 58, 60 im Inneren des Schaufelblatts 16 vorgesehen. Eine erste Trennrippe 58 erstreckt sich zwischen der Rippe 40 und der weiteren Rippe 46 entlang der Profilmittenlinie 32. Die Trennrippe 58 unterteilt den Sammelraum 44 in zwei Sammelräume 44a und 44b, von denen der erstgenannte saugseitig und der zweitgenannte druckseitig vorgesehen ist. Zwei zweite Trennrippen 60 erstrecken sich längs der und somit quasi parallel zur Profilmittenlinie 32 zwischen der Rippe 46 und der Rippe 50, wobei jedoch jeweils eine davon saugseitig und eine davon druckseitig angeordnet ist.
Ebenso wie die erste Trennrippe 58 den Sammelraum 44 aufteilt, ist der Sammelraum 48 aus Fig. 2 nun in zwei Sammelräume 48a und 48b aufgeteilt, wobei jedoch aufgrund der Verwendung von zwei zweiten Trennrippen 60 ein weiterer Hohlraum 62 bereitgestellt werden kann. Der weitere Hohlraum 62 kann für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise ist er geeignet, einen Teil des Kühlmittels von dem fußseiti- gen Ende 26 des Schaufelblatts 16 zu einem kopfseitigen Ende 27 des Schaufelblatts 16 durchzuleiten, ohne dass dieses in Kontakt zu den vergleichsweise heißen Seitenwänden 22, 24 gelangt. Somit kann am kopfseitigen Ende 27 des Schaufelblatts vergleichsweise kühle Kühlluft bereitgestellt werden, was insbesondere bei Leitschaufeln von Vorteil ist. Gleichfalls ist es denkbar, dass der Hohlraum 62 hermetisch geschlossen ist um die in den Teilsammelräumen 48a, 48b geführte Kühlluf näher zu den Prallkühlwänden 54 und den darin angeordneten Prallkühlöffnungen 42 hinzuleiten.
Die in den betreffenden Ausführungsbeispielen beschrieben un in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale können in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Insgesamt betrifft die Erfindung mithin ein Schaufelblatt 16 für eine Turbinenschaufel 10, umfassend eine saugseitige Sei tenwand 22 und eine druckseitige Seitenwand 24, die sich längs einer Profilmittenlinie 32 von einer gemeinsamen Vorderkante 18 zu einer gemeinsamen Hinterkante 20 und in einer Spannweiterichtung von einem fußseitigen Ende 26 zu einem kopfseitigen Ende 27 erstreckend einen Hohlraum zumindest teilweise umschließen, wobei längs der Spannweite im Inneren eine erste perforierte mit Öffnungen versehene Prallkühlwand 34 zur Prallkühlung der Vorderkante 18 und zumindest eine weitere perforierte Prallkühlwand 54 zur Prallkühlung eines Abschnitts der saugseitigen und/oder druckseitigen Schaufelwand 22, 24 vorgesehen ist. Um eine besonders effiziente Küh lung der Turbinenschaufel zu erreichen wird vorgeschlagen, dass die Prallkühlöffnungen 42 der ersten Prallkühlwand 34 und der zumindest einen zweiten Prallkühlwand 54 strömungstechnisch in Reihe geschaltet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Schaufelblatt (16) für eine Turbinenschaufel (10), umfassend eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druck- seitige Seitenwand (24), die sich entlang einer Profilmittenlinie von einer gemeinsamen Vorderkante (18) zu einer gemeinsamen Hinterkante (20) und in einer Spannweiterichtung von einem fußseitigem Ende (26) zu einem kopfseitigen Ende (27) erstreckend einen Hohlraum zumindest teilweise umschließen,
wobei längs der Spannweite im Inneren eine erste mit Prallkühlöffnungen (42) versehene Prallkühlwand (34) zur Prallkühlung der Vorderkante (18) und zumindest eine weitere auch mit Prallkühlöffnungen (42) versehene Prallkühlwand (54, 55) zur Prallkühlung eines Abschnitts der saugseitigen und/oder druckseitigen Seitenwand (22, 24) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Prallkühlöffnungen (42) der ersten Prallkühlwand (34) und die Prallkühlöffnungen der zumindest einen zweiten Prallkühlwand (54, 55) strömungstechnisch in Reihe geschaltet sind.
2. Schaufelblatt (16) nach Anspruch 1,
wobei zwischen der betreffenden Prallkühlwand (34, 54, 55) und der Innenseite der zugehörigen Seitenwand (22, 24) ein
Prallkühlraum (36, 56, 59) vorgesehen ist.
3. Schaufelblatt (16) nach Anspruch 2,
wobei stromab des betreffenden Prallkühlraums (36, 56, 59) ein Sammelraum (44, 48, 52) vorgesehen ist, der unmittelbar stromauf an der stromab gelegenen weiteren Prallkühlwand (34, 54, 55) angrenzt.
4. Schaufelblatt (16) nach Anspruch 2,
wobei zwischen dem ersten Sammelraum (44) und dem ersten Prallkühlraum (26) ein Versorgungskanal (38) vorgesehen ist .
5. Schaufelblatt (16) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Sammelraum (44, 48) teilweise von einem Vorsprung (57) begrenzt ist, welcher prallgekühlt ist.
6. Schaufelblatt nach Anspruch 5,
wobei zur Prallkühlung des Vorsprungs (57) seitenwandnahe Auslassöffnungen (39) in der Rippe (40, 46) angeordnet sind .
7. Schaufelblatt (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei an zumindest einer Seitenwand (22, 24) des Schaufelblatts (16), vorzugsweise an beiden Seitenwände (22, 24) jeweils zumindest eine weitere Prallkühlwand vorsehen ist bzw. sind.
8. Schaufelblatt (16) nach Anspruch 7,
wobei einer der beiden weiteren Prallkühlräume saugseitig und der andere der beiden weiteren Prallkühlräume druckseitig angeordnet und jedem ein separater Sammelraum (44a, 44b, 48a, 48b) vorgeschaltet ist.
9. Schaufelblatt (16) nach Anspruch 8,
wobei zwischen zwei beidseitig der Profilmittenlinie angeordneten Sammelräumen ein weiterer Hohlraum (62) vorgesehen ist.
10. Schaufelblatt (16) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
welches monolithisch ist.
11. Schaufelblatt (16) nach Anspruch 10,
welches mittels eines additiven Verfahrens hergestellt ist.
12. Turbinenschaufel (10) mit einem Schaufelblatt (16) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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