EP4048872B1 - Turbinenschaufel für eine stationäre gasturbine - Google Patents

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EP4048872B1
EP4048872B1 EP20824139.8A EP20824139A EP4048872B1 EP 4048872 B1 EP4048872 B1 EP 4048872B1 EP 20824139 A EP20824139 A EP 20824139A EP 4048872 B1 EP4048872 B1 EP 4048872B1
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EP
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coolant passage
coolant
blade
turbine blade
edge
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Philipp CAVADINI
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
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    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/204—Heat transfer, e.g. cooling by the use of microcircuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade of gas turbines, which are subject to the highest thermal and mechanical loads during operation, which is why they are now designed to be coolable and particularly robust using complex, hollow internal geometries.
  • a gas turbine blade corresponding to the preamble of claim 1 is made from the WO 1996/15358 A1 known, in which the cooling of the leading edge is made possible with the help of cooling air introduced tangentially into a leading edge cooling channel, without the need for additional film cooling holes, often referred to in English as showerhead holes, to cool them.
  • film cooling holes also known as gill holes, arranged in the suction side, close to the leading edge, whereas the remaining proportion of this cooling air is guided below the blade tip to the trailing edge .
  • the remaining part of the airfoil is cooled via a serpentine cooling channel with subsequent trailing edge blowout.
  • a so-called multi-layer turbine blade is known, which is also known in English as a “multiwall turbine blade”.
  • Two displacement bodies are provided inside, with which the cooling air flowing inside the turbine blade is to be pushed particularly close to the inner surfaces of the outer walls.
  • An alternative design of a multiwall turbine blade is also shown EP 1 783 327 A2 .
  • the object of the invention is therefore to provide a long-lasting turbine blade with further reduced coolant consumption.
  • the present invention proposes a turbine blade for a stationary gas turbine, in particular with axial flow, in particular for one of its high-pressure turbine stages, with a cooling system arranged in its interior, which has a first cooling path for a first coolant flow and a second cooling path, which is essentially, preferably completely, separate from the first cooling path, for a second coolant flow, in which the first cooling path has a first coolant passage which is set up for cyclone cooling of the leading edge and a second coolant passage which adjoins the first coolant passage extends below the blade tip from the leading edge toward the trailing edge, wherein the second cooling path includes a serpentine coolant passage for cooling a chordwise center region of the airfoil arranged behind the leading edge region and a first trailing edge coolant passage for at least partial cooling of a chordwise region behind the center region , comprising the trailing edge region of the airfoil extending up to the trailing edge, wherein the first trailing
  • the invention is based on the finding that a significant saving of coolant for cooling the turbine blade can only be achieved if the leading edge and/or the pressure-side side wall and/or the suction-side side wall of the airfoil do not have any openings through which coolant flows out and there can flow into a hot gas flowing around the turbine blade.
  • the coolant escapes at least at the trailing edge and possibly also through the blade tip pointing outwards. In this respect, only those passages and channels with which the leading edge and a large part of the pressure sides and suction sides of the airfoil can be cooled should be set up for locally closed cooling.
  • neither showerhead holes nor gill holes nor other film cooling holes branch off from the first coolant passage and/or from the serpentine coolant passage; these are free of exit holes. Exit holes are only provided on the rear edge and, if necessary, in the tip of the blade. Locally closed cooling does not mean that no coolant may escape from the airfoil into the hot gas.
  • the first coolant flow is guided via a second coolant passage, which extends directly below the blade tip to the rear end of the airfoil, and via an adjoining third coolant passage to preferably approximately half the height of the trailing edge, and then in a trailing edge coolant passage arranged radially on the outside to be used there beneficially. Due to this solution, the need for cooling air for the second flow path can be significantly reduced.
  • the approach proposed here therefore offers maximum benefit of the available coolant due to a novel division and using a cooling concept, namely cyclone cooling, which has so far been used for turbine blades of the first and / or second turbine stage of gas turbines with comparatively high compressor pressure ratios or high turbine inlet temperatures considered completely unsuitable and was therefore not considered for their turbine blades.
  • Cyclone cooling means cooling in which significant portions of the cooling medium flowing in a cooling channel or in a coolant passage flow in a twisted manner from a main inlet for the coolant to a main outlet. Twisted means that the majority of the cooling medium flows in a helical or helical manner along the relevant channel or passage.
  • the twisted flow is to be distinguished from a turbulent flow. The latter is regularly caused by so-called turbulators and therefore occurs in very limited spatial areas areas, as only a very small proportion of the coolant is reached and manipulated by the turbulators. After leaving the area in question, the turbulence dissipated again.
  • a twisted main flow can therefore also have turbulent secondary flow components in locally very small areas, but not the other way around.
  • the consumption of coolant can be reduced to an extent not expected in advance while at the same time adequately cooling the entire airfoil. According to detailed simulations, this applies even to turbine blades installed in one of the two front turbine stages of a stationary gas turbine whose turbine inlet temperature at nominal ISO operation is 1300°C or higher or whose compressor pressure ratio is 19:1 or higher. Even with such turbine blades, the amount of coolant could be reduced by around 30% compared to a conventional one with cooling holes arranged in the leading edge, while achieving an identical service life.
  • one or more outlet holes for coolant are arranged in the blade tip, which are fluidly connected to the second coolant passage. This measure improves the fatigue strength of any squeegee edges that protrude from the blade tip.
  • the first cooling path comprises a supply passage for the first coolant passage, which is arranged immediately next to the first coolant passage and is fluidly connected to the first coolant passage via a plurality of passage openings and extends at least over a large part of the span of the airfoil, the passage openings having means in order to impart a swirl to the coolant flowing in the first coolant passage or to increase it.
  • the passage openings have a means special focus.
  • the coolant flowing in the first coolant passage can be given the swirl required for cyclone cooling using simple means impress or reinforce. This means that efficient cyclone cooling of the leading edge can be provided comparatively easily.
  • cyclone cooling of the leading edge that is adapted or homogenized over the height of the blade can be achieved in that a density of passage openings that can be determined in the span direction is greatest at the foot end, and preferably decreases gradually or continuously towards the blade tip. This allows the flow velocity in the first coolant passage to be kept almost constant over the span of the airfoil, which can also be achieved by a first coolant passage that tapers in cross section to the blade tip.
  • a plurality of preferably rib-shaped, in particular inclined turbulators are arranged on one or more inner surfaces of one or more coolant passages in order to locally further increase the heat transfer into the first and/or second coolant and/or to support the swirl .
  • a plurality of bases arranged in a pattern, ie in several rows, are provided in each trailing edge coolant passage.
  • This allows a suction-side and pressure-side rear edge region of the airfoil, which adjoins the central region of the airfoil and extends to the rear edge of the airfoil, to be free of exit holes, ie locally closed, in a simple and efficient manner cool.
  • the distribution of the coolant for the two cooling paths and the pressure losses occurring therein can also be adjusted efficiently.
  • two cooling channel arms widening the second coolant passage are provided, which expand radially inwards as they extend in the chord direction and open into the third coolant passage. This measure reduces or compensates for the reduction in the flow cross section of the second coolant passage, which results from the teardrop-shaped shape of the blade profile that tapers towards the rear edge.
  • An approximately constant cross-sectional area can therefore be achieved for the entire length of the second coolant passage, whereby the first coolant stream can flow through the second coolant passage at a constant speed. Flow separation can thus be avoided while maintaining uniform cooling of the blade tip and the local areas of the side walls.
  • a partition wall is arranged between the second coolant passage and the serpentine coolant passage, which connects the two side walls to one another and extends in the chord direction, the partition wall forming a preferably tapered displacement wedge as it approaches the rear edge in conjunction with the inner surfaces of the two side walls, the two cooling channel arms are laterally limited.
  • a rear separating rib extending in the span direction is provided between the third coolant passage and the second trailing edge coolant passage.
  • one or more holes may also be present in the rear separating rib to prevent local dead water areas in the second trailing edge coolant passage.
  • the trailing edge has a standardized height of 100%, starting at its foot-side end at 0% and ending at the blade tip at 100%, with the two trailing edge coolant passages being separated by a separating rib that extends mainly in the chord direction are essentially separated from each other, which is arranged at a height between 45% and 75% of the standardized height.
  • this allows a particularly efficient distribution of the total amount of coolant available to be achieved, with which, on the one hand, homogeneous cooling of the airfoil and, on the other hand, a further reduced coolant consumption per se can be achieved.
  • the serpentine coolant passage comprises at least two channel sections extending in the span direction and at least two reversing sections which alternate with one another, the reversing section located further downstream in the coolant flow being directly fluidly connected to the first trailing edge coolant passage is.
  • the two channel sections are essentially C-shaped by means of a displacement body and by means of the two side walls in a cross-sectional view of the airfoil suction-side channel arm, a pressure-side channel arm and a connecting arm connecting the two channel arms and are arranged relative to one another in such a way that they almost completely surround the displacement body.
  • This allows a turbine blade designed as a multiwall to be provided.
  • the design as a multiwall makes it possible, on the one hand, to produce an airfoil that has a relatively small curvature on the leading edge, even with low material consumption. This slight curvature is of course very conducive to generating swirl in the first coolant passage.
  • the cooling sections can have comparatively small flow cross sections.
  • the second coolant flow then flows through the channel sections or through the serpentine coolant passage at a sufficiently high speed and thus with the formation of a sufficiently high heat transfer.
  • This in particular reduces the amount of coolant required for efficient cooling of the central region of the airfoil between the leading edge and trailing edge region.
  • consumption can be reduced by around a further 40%, which means that the thermal efficiency of the turbine blade can be brought comparatively close to the theoretical maximum.
  • the displacement body encompasses a cavity in a cross-sectional view and is supported by webs on the two side walls.
  • the inner surfaces of the displacement body delimiting the connecting arms are provided with elements, preferably turbulators be.
  • the turbine blade according to the invention is preferably cast, with an opening in the blade root after the turbine blade has been cast, which is in direct, i.e. immediate connection with the cavity, being closed by a separately manufactured cover plate.
  • an opening in the blade root after the turbine blade has been cast which is in direct, i.e. immediate, connection with the first trailing edge coolant passage.
  • this is also closed by attaching a separately manufactured cover plate to the blade base so that it completely covers the opening in question.
  • One or more inlets are expediently provided for each cooling path, which are directly fluidly connected to the first coolant passage or the supply passage or to the serpentine coolant passage or one of its channel sections.
  • the turbine blade preferably has an aspect ratio of a trailing edge span based on a chord length to be detected at the foot end, which is 3.0 or smaller, since it has been found that the proposed division of the available coolant into two preferably separate coolant streams and the simultaneously proposed distribution of the cooling of the trailing edge area, especially for such turbine blades enables considerable savings in the amount of coolant.
  • the use of the turbine blade described above is possible both as a rotor blade attached to a rotor or as a guide vane attached to a static support.
  • the turbine blade described above can also be used in a first or second turbine stage of a stationary gas turbine, which has a turbine inlet temperature of at least 1300 ° C in nominal ISO operation and / or a compression ratio of 19:1 or greater in nominal ISO operation .
  • a stationary gas turbine which has a turbine inlet temperature of at least 1300 ° C in nominal ISO operation and / or a compression ratio of 19:1 or greater in nominal ISO operation .
  • so-called aero derivatives do not fall under the definition of stationary gas turbines.
  • the invention is therefore not only suitable for stationary gas turbines whose hot gas temperatures at the turbine inlet are considered comparatively low by today's standards.
  • FIG. 1 a turbine blade 10 in a side view.
  • the turbine blade 10 which is preferably produced in an investment casting process, comprises a blade root 12, which is only shown in the beginning.
  • the blade root 12 can be designed in a known manner in a dovetail shape or a Christmas tree shape. This is followed by a platform 13, from which an airfoil 18 extends from a foot-side end 20 to a blade tip 22 in the span direction R. If the turbine blade 10 is installed in a gas turbine with axial flow, the span direction and the radial direction of the gas turbine coincide. In a chord direction S oriented transversely to the span direction R, the airfoil 18 extends from a leading edge 24 to a trailing edge 26.
  • exit holes 46, 56 are distributed along the span direction.
  • an aspect ratio HSP/SL of a trailing edge span HSP based on a chord length SL to be detected at the foot end is 1.9 and is preferably in the range between 1.5 and 3.
  • Exit openings 28 also open on a side surface of the platform 13.
  • the outlet holes 46, 56 and the outlet openings 28 are in flow connection with an internal cooling system of the turbine blade 10.
  • the cooling system of the turbine blade 10 and in particular the airfoil 18 is in the Figure 2 shown schematically as cooling schemes.
  • a first coolant stream M1 and a second coolant stream M2 can be supplied separately to the turbine blade 10.
  • the first coolant stream M1 flows through a first cooling path 30, which is composed of a plurality of coolant passages 31, 32, 33, 34, 36a, 36b, 38, 40, 44. Downstream one in the Figure 2 inlet not shown
  • a supply passage 31 which is in flow connection with a first coolant passage 32 via a plurality of through openings 33.
  • the first coolant passage 32 serves for cyclone cooling of the front edge 24 of the airfoil 18 and the immediately adjoining leading edge region 39.
  • the first coolant passage 32 merges into a second coolant passage 34, which extends from the front edge 24 to cool the blade tip 22 extends over a comparatively large chord length of the blade tip 22 in the direction of the rear edge 26.
  • Third exit holes 67 can be arranged in the blade tip for cooling squeegee edges explained later.
  • the second coolant passage 34 further comprises two cooling channel arms 36a, 36 which only begin in the second half of the second coolant passage 34 and which, like the downstream end of the second coolant passage 34, are connected to a third coolant passage 38. The latter is fluidly connected to a second trailing edge coolant passage 44 via a reversing section 40.
  • the coolant flow M1 flowing through the first cooling path 30 can then leave the turbine blade 10 at its trailing edge 26 via a plurality of second outlet holes 46.
  • a second cooling path 50 is arranged, which is downstream of an in Figure 2 inlet, not shown, has a serpentine coolant passage 52.
  • the serpentine coolant passage 52 includes for cooling a central region 48 ( Figure 1 ) According to this exemplary embodiment, two channel sections 55a, 55b extending in the span direction, which are connected to one another via a reversing section 57a arranged between them.
  • a second reversing section 57b which fluidly connects the second channel section 55b with a first trailing edge coolant passage 54.
  • the coolant flow M2 flowing through the second cooling path 50 can then reach the turbine blade via a plurality of first exit holes 46 10 left on its rear edge 26.
  • Both trailing edge coolant passages 44, 54 serve to cool a trailing edge area 59 ( Figure 1 ).
  • FIG. 3 shows as a longitudinal section an internal structure of the turbine blade 10 according to Figure 1 , which correspond to the cooling schemes Figure 2 is designed accordingly.
  • the turbine blade 10 includes a series of differently arranged walls and ribs that separate the individual cooling paths and coolant passages from one another.
  • Two inlets 80 are provided in the blade root 12 for the two coolant flows M1 and M2 or for the two cooling paths 30, 50. Between the two inlets 80 there is a front support rib 66v which connects the two side walls 14, 16 and separates the first cooling path 30 from the second cooling path 50 for a first section.
  • a front separating rib 49v also separates the supply passage 31 from the first coolant passage 32, with a plurality of passage openings 33 (detail of FIG.
  • FIG. 4 is arranged in the front separating rib 49v.
  • Figure 3 However, only the mouths of the passage openings are shown. How out Figure 3 As can be seen, a greater density of through openings 33 is provided in the area near the platform than in the area near the tip.
  • the position and orientation of the passage openings 33 in the front separating rib 49v is selected so that a comparatively strongly twisted coolant flow can arise in the first coolant passage 32.
  • a twisted coolant flow is to be understood as one which can form in a cyclone-like manner or analogously to a helix or a helix from the foot-side end 20 towards the blade tip 22.
  • the second coolant passage 34 for cooling a bottom 37 of the blade tip 22, the second coolant passage 34 being separated from the serpentine coolant passage 52 by a partition 60.
  • the third coolant passage 38 which extends from the blade tip 22 in the direction of the foot-side end 22, but only up to approximately half the height of the blade 18, the height of the blade 18 being at the trailing edge 26 is to be captured. This is followed by a further reversal section 40, by means of which the first coolant flow M1 can be supplied to the second trailing edge coolant passage 44.
  • the third coolant passage 38 is largely separated from the second rear edge coolant passage 54 by a correspondingly designed rear separating rib 49h.
  • bases 53 around which the coolant M1 can flow are arranged in several rows one behind the other.
  • the bases are designed more like a racetrack with comparatively narrow passages in order to achieve the highest possible pressure loss.
  • the first cooling path 30 ends in second exit holes 46 provided in the trailing edge 26, through which at least a large part of the coolant flow M1 supplied through the associated inlet 80 can be released from the turbine blade 10.
  • the second cooling path 50 for guiding the second coolant flow M2 and essentially comprises the serpentine coolant passage 52 and the first trailing edge coolant passage 44.
  • the former can be divided into four successive sections, the first of which is referred to as the first channel section 55a. This is followed by a first reversal section 57a, a second channel section 55b and a second reversal section 57b.
  • the latter connects the serpentine coolant passage 52 with the second trailing edge coolant passage 54, which is analogous to the first trailing edge coolant passage 44 is designed with racetrack-shaped bases 53 arranged in several rows.
  • the two channel sections 55a, 55b of the serpentine coolant passage 52 extend along the span direction R over a large part of the airfoil 18.
  • the first channel section 55a and the second channel section 55b are, as in Figure 4 additionally shown, essentially U-shaped, each with a channel arm 55as, 55bs arranged on the suction side, a channel arm 55ad, 55bd arranged on the pressure side and a connecting arm 55av, 55bv connecting the relevant channel arms.
  • the first channel section 55a is formed by the pressure-side side wall 14, by the front support rib 66v, by the suction-side side wall 16 and by a displacement body 70 arranged inside - in cross section Figure 4 - surround.
  • the second channel section 55b is surrounded by the pressure-side side wall 14, by a rear support rib 66h, by the suction-side side wall 16 and the displacement body 70 arranged inside.
  • the displacement body 70 itself encompasses a cavity 72 and is supported via webs 71 on the pressure-side side wall 14 or the suction-side side wall 16.
  • the webs 71 extend approximately over the entire height of the airfoil 18 and serve, on the one hand, to monolithically fasten the displacement body 70 in the turbine blade 10 and, on the other hand, to separate the two channel sections 55, 57.
  • the displacement body 72 is trimmed on the rear edge side at its radially outer end. This measure improves the mechanical integrity of the turbine blade 10 and in particular its vibration resistance.
  • the two trailing edge coolant passages 44, 54 are at least largely, if not completely, separated from one another by a separating rib 64 which extends mainly in the chord direction S.
  • the separating rib 64 ends at a height of 55% standardized blade height of the trailing edge 24.
  • the separating rib 64 is preferably arranged at a height between 45% and 75% of the standardized height.
  • FIGS. 5 to 7 show sections through the tip of the turbine blade 10 along the three section lines BB, CC and DD Figure 3 .
  • wiping edges 78 are provided on both the suction side and the pressure side.
  • the displacement body 70 is not closed at its radially outer end, but is opened towards the first reversal section 57a. In this respect, an inflow of the second coolant stream M2 would be possible.
  • a cover plate 76a ( Figure 1 ) is closed, the cavity 72 lacks exit openings. As a result, it cannot be flowed through, but is designed as a dead water space.
  • Figure 8 shows a cross section of the downstream half of the blade tip 22 according to section line EE in a view directed towards the blade tip 22 - i.e. towards the outside Figure 3 .
  • a channel section on the blade root side can be provided instead of or in addition to the supply passage 31, which can represent an extension of the first coolant passage 32 to the underside of the blade root 12.
  • suitable swirl generators for example spiral ribs, can be provided in this blade root-side channel section, which twist the coolant flow M1 like a cyclone as it flows through the blade root-side channel section.
  • the first coolant passage 32 would be separated from the connecting channel 55av by the front support rib 66v, so that passage opening 33 arranged in the front support rib 66v could promote a refreshment or reinforcement of the spin impulse.
  • Figure 9 shows only schematically a gas turbine 100 with a compressor 110, a combustion chamber 120 and a turbine unit 130.
  • a generator 150 for generating electricity is coupled to a rotor 140 of the gas turbine.
  • the compressor 110 is designed in such a way that, when operating under ISO standard conditions, it can generate a pressure ratio of compressed ambient air VL to sucked-in ambient air L of 19:1 or greater.
  • the compressed air VL is then mixed with a fuel F and burned to form a hot gas HG.
  • Combustion chamber 120 and turbine unit 130 are designed such that the hot gas HG flowing at the exit of combustion chamber 120 or at the inlet of turbine unit 130 has a temperature of at least 1300 ° C under ISO standard conditions, with the rotor and guide blades of the first turbine stage or the second turbine stage are designed in the manner described here.
  • the hot gas HG expanded in the turbine unit 130 leaves it as flue gas RG.
  • the invention proposes a turbine blade 10 with a blade root 12 and a blade 18, which extends along a span direction R from a foot-side end 20 to a blade tip 22 and along a chord direction S arranged transversely to the span direction R from a leading edge 24 to a trailing edge 26 extends, wherein in the interior of the airfoil 18 a first cooling path 30 for a first coolant flow M1 and a second cooling path 50 for a second coolant flow M2 are designed, the first cooling path 30 having a first coolant passage 32, which is set up for cyclone cooling of the leading edge 24 and a second coolant passage 34 adjoining the first coolant passage 32 and extending below the blade tip 22 from the leading edge 24 towards the trailing edge 26, the second cooling path 50 having a serpentine coolant passage 52 for cooling a chordwise behind the leading edge region 39 arranged middle region 48 of the airfoil 18 and a first trailing edge coolant passage 54 for at least partial cooling of a trailing edge region 59 of the airfo
  • the first coolant passage 32 and/or the serpentine coolant passage 52 is set up for locally closed cooling and the first cooling path 30 has a third coolant passage 38 adjoining the second coolant passage 34, which extends mainly radially inwards and a , which includes a second trailing edge coolant passage 44 adjoining the third coolant passage 38, which is designed to cool a blade tip-side region of the trailing edge region 59 and is fluidly connected to a plurality of second outlet holes 46 arranged in the trailing edge 26.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel von Gasturbinen, welche im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Belastungen unterliegen, weswegen diese heutzutage Mithilfe von komplexen, hohlen Innen-Geometrien kühlbar und besonders robust ausgestaltet sind.
  • So ist beispielsweise eine dem Oberbegriff des Anspruch 1 entsprechende Gasturbinenschaufel aus der WO 1996/15358 A1 bekannt, bei der Mithilfe von tangential in einen Vorderkanten-Kühlkanal eingebrachter Kühlluft eine Kühlung der Vorderkante ermöglicht wird, ohne dass darin weitere Filmkühllöcher, im Englischen häufig auch als Showerhead-Holes bezeichnet, zu deren Kühlung erforderlich sind. Ein signifikanter Anteil der im Vorderkanten-Kühlkanal strömenden Kühlluft wird jedoch über in der Saugseite, nahe der Vorderkante angeordnete Filmkühllöcher, im Englischen auch als Gill-Holes bezeichnet, aus der Turbinenschaufel entlassen, wohingegen der restliche Anteil dieser Kühlluft unterhalb der Schaufelspitze zur Hinterkante geführt wird. Der restliche Teil des Schaufelblatts hingegen wird über einen Serpentinen-Kühlkanal mit anschließender Hinterkanten-Ausblasung gekühlt.
  • Des Weiteren ist aus der WO 2017/039571 A1 eine sogenannte Mehrlagen-Turbinenschaufel bekannt, die im englischen auch als "Multiwall-Turbine Blade" bezeichnet wird. In ihrem Inneren sind zwei Verdrängungskörper vorgesehen, mit denen die im Inneren der Turbinenschaufel strömende Kühlluft besonders nah an die Innenflächen der Außenwände gedrängt werden soll. Eine alternative Ausgestaltung einer Multiwall-Turbinenschaufel zeigt zudem die EP 1 783 327 A2 . Darüber hinaus zeigt die US 2010/0239431 A1 eine Turbinenschaufel mit - bezogen auf die Spannweite - zwei benachbarten Mäander-Kühlkanälen, die über einen die Vorderkante kühlenden Kanal in Reihe geschaltet sind.
  • Im Streben nach weiter erhöhten Wirkungsgraden von Turbinen besteht ein fortwährender Bedarf an Kühllufteinsparung, da die eingesparte Kühlluft als Primärluft zur Oxidation von fossilen oder synthetischen Brennstoffen effizienzsteigernd verwendet werden kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist folglich die Bereitstellung einer langlebigen Turbinenschaufel mit einem weiter reduziertem Kühlmittelverbrauch.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Turbinenschaufel für eine insbesondere axial durchströmte, stationäre Gasturbine, insbesondere für eine ihrer Hochdruck-Turbinenstufen, mit einem in ihrem Inneren angeordneten Kühlsystem vor, welches einen ersten Kühlpfad für einen ersten Kühlmittelstrom und einen vom ersten Kühlpfad im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig getrennten zweiten Kühlpfad für einen zweiten Kühlmittelstrom umfasst, bei dem der erste Kühlpfad eine erste Kühlmittelpassage, die zu einer Zyklonkühlung der Vorderkante eingerichtet ist und eine sich an die erste Kühlmittelpassage anschließende zweite Kühlmittelpassage, die sich unterhalb der Schaufelspitze von der Vorderkante in Richtung der Hinterkante erstreckt, wobei der zweite Kühlpfad eine Serpentinen-Kühlmittelpassage zur Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Vorderkantenbereich angeordneten Mittelbereichs des Schaufelblatts und eine erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage zur zumindest teilweisen Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Mittelbereich angeordneten, bis zur Hinterkante reichenden Hinterkantenbereichs des Schaufelblatts umfasst, wobei die erste Hinterkanten-Kühlmittel-passage mit einer Vielzahl von ersten, in der Hinterkante angeordneten Austrittslöchern strömungstechnisch verbunden ist, wobei die erste Kühlmittelpassage für eine austrittslochfreie, d.h. lokal geschlossene Kühlung eingerichtet ist und der erste Kühlpfad weiter umfasst: eine sich an die zweite Kühlmittelpassage anschließende dritte Kühlmittelpassage, die sich hauptsächlich radial nach innen erstreckt sowie eine, sich an die dritte Kühlmittelpassage anschließende zweite Hinterkanten-Kühlmittelpassage, welche zur Kühlung einer schaufelspitzenseitigen Region des Hinterkantenbereichs ausgestaltet ist und mit einer Vielzahl von zweiten, in der Hinterkante angeordneten Austrittslöchern strömungstechnisch verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine signifikante Einsparung von Kühlmittel zur Kühlung der Turbinenschaufel nur dann erreicht werden kann, wenn die Vorderkante und/oder die druckseitige Seitenwand und/oder die saugseitige Seitenwand des Schaufelblatts keine Öffnungen aufweisen, durch welche Kühlmittel ausströmen und dort in ein die Turbinenschaufel umströmendes Heißgas einströmen kann. Um eine einfache Konstruktion der Turbinenschaufel zu ermöglichen, entweicht das Kühlmittel zumindest an der Hinterkante und ggf. auch noch durch die nach außen weisende Schaufelspitze. Insofern sollen lediglich diejenigen Passagen und Kanäle, mit denen die Vorderkante und ein Großteil der Druckseiten und Saugseiten des Schaufelblatts gekühlt werden können, zu einer lokal geschlossenen Kühlung eingerichtet sein. Mit anderen Worten: von der ersten Kühlmittelpassage und/oder von der Serpentinen-Kühlmittelpassage zweigen weder Showerhead-Holes, noch Gill-Holes, noch andere Filmkühllöcher ab; diese sind austrittslochfrei. Austrittslöcher sind lediglich an der Hinterkante und ggf. in der Schaufelspitze vorgesehen. Unter einer lokal geschlossenen Kühlung wird nicht verstanden, dass aus dem Schaufelblatt gar kein Kühlmittel ins Heißgas austreten darf.
  • Um dennoch eine hinreichende Kühlung der Vorderkante zu erreichen, insbesondere von thermisch äußerst hochbelasteten Turbinenschaufeln, besteht eigentlich in einem Fall von einer lokal geschlossenen, d.h. austrittslochfreien Vorderkanten-kühlung ein gesteigerter Bedarf an Kühlmittel. Mit der Erfindung wird nun jedoch erstmalig vorgeschlagen, den für die Vorderkanten-Kühlung eingesetzte erste Kühlmittelstrom auch noch für die Kühlung eines radial äußeren Teils des Hinterkantenbereichs des Schaufelblatts zur verwenden. Anstatt das Kühlmittel wie im Stand der Technik über Gill-Holes und an der Hinterkante direkt zu entlassen, wird erfindungsgemäß eine hintere Trennrippe ins System eingebracht, die das Kühlmittel aus dem vorwärtsströmenden System kommend erneut nach innen umlenkt und schließlich zu einem weiteren Hinterkanten-Kühlmittelpassage führt. Folglich wird der erste Kühlmittelstrom über eine zweite Kühlmittelpassage, die sich unmittelbar unterhalb der Schaufelspitze zum hinteren Ende des Schaufelblatts erstreckt, und über eine sich daran anschließende dritte Kühlmittelpassage auf vorzugsweise etwa halbe Höhe der Hinterkante geführt, um anschließend in einer radial außen angeordneten Hinterkanten-Kühlmittelpassage dort nutzbringend verwendet zu werden. Aufgrund dieser Lösung kann der Bedarf an Kühlluft für den zweiten Strömungspfad signifikant reduziert werden. Mithin bietet der hier vorgeschlagene Ansatz einen maximalen Nutzen des zur Verfügung stehenden Kühlmittels aufgrund einer neuartigen Aufteilung und unter Verwendung eines Kühlkonzepts, nämlich der Zyklonkühlung, die für Turbinenschaufeln der ersten und/oder zweiten Turbinenstufe von Gasturbinen mit vergleichsweise hohen Verdichterdruckverhältnissen bzw. hohen Turbineneintrittstemperaturen bisher als vollkommen ungeeignet angesehen und deshalb für deren Turbinenschaufeln nicht in Betracht gezogen wurde.
  • Unter einer Zyklonkühlung ist eine solche Kühlung zu verstehen, bei der wesentliche Anteile des in einem Kühlkanal oder in einer Kühlmittelpassage strömenden Kühlmediums von einem Haupteinlass für das Kühlmittel zu einem Hauptauslass verdrallt strömen. Verdrallt bedeutet, dass der wesentliche Anteil des Kühlmediums längs des betreffenden Kanals bzw. Passage schraubenlinienmäßig bzw. helixartig strömt. Die verdrallte Strömung ist von einer turbulenten Strömung zu unterscheiden. Letztere wird regelmäßig von sogenannten Turbulatoren hervorgerufen und tritt demzufolge in räumlich sehr begrenzten Gebieten auf, da nur ein sehr geringer Anteil des Kühlmittels durch die Turbulatoren erreicht und manipuliert wird. Nach dem Verlassen des betreffenden Gebiets ist die Turbulenz dann auch wieder zerfallen. Somit kann eine verdrallte Hauptströmung in lokal sehr kleinen Gebieten auch turbulente Sekundärströmungsanteile aufweisen, nicht aber umgekehrt.
  • Mit der Erfindung kann der Verbrauch an Kühlmittel in einem nicht vorab zu erwartendem Umfang reduziert werden bei gleichzeitiger hinreichender Kühlung des gesamten Schaufelblatts. Gemäß detaillierten Simulationen gilt dies selbst für Turbinenschaufeln, die in einer der beiden vorderen Turbinenstufen einer stationären Gasturbine, deren Turbineneintrittstemperatur bei ISO-Nennbetrieb von 1300°C und höher liegt oder deren Verdichterdruckverhältnis von 19:1 oder höher beträgt. Selbst bei derartigen Turbinenschaufeln konnte die Menge an Kühlmittel um etwa 30 % gesenkt werden im Vergleich zu einer konventionellen, mit in der Vorderkante angeordneten Kühllöchern, unter Erreichung der identischen Lebensdauer.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in der Schaufelspitze ein oder mehrere Austrittslöcher für Kühlmittel angeordnet sind, die mit der zweiten Kühlmittelpassage strömungstechnisch verbunden sind. Diese Maßnahme verbessert die Dauerfestigkeit von etwaigen, an der Schaufelspitze hervorragenden Anstreifkanten.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Kühlpfad eine Versorgungspassage für die erste Kühlmittelpassage, die unmittelbar neben der ersten Kühlmittelpassage angeordnet sich zumindest über einen Großteil der Spannweite des Schaufelblatts erstreckend über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen mit der ersten Kühlmittelpassage strömungstechnisch verbunden ist, wobeidie Durchtrittsöffnungen Mittel aufweisen, um dem in der ersten Kühlmittelpassage strömenden Kühlmittel einen Drall aufzuprägen bzw. diesen zu verstärken. Als Mittel weisen die Durchtrittsöffnungen eine spezielle Ausrichtung auf. Wenn beispielsweise die Durchtrittsöffnungen tangential, d.h. außermittig in der ersten Kühlmittelpassage und insbesondere mit der Innenfläche der saugseitigen oder druckseitigen Seitenwand fluchtend münden und/oder in Radialrichtung angestellt sind, lässt sich mit einfachen Mitteln dem in der ersten Kühlmittelpassage strömenden Kühlmittel den für die Zyklonkühlung erforderlichen Drall aufprägen bzw. verstärken. Somit lässt sich eine effiziente Zyklonkühlung der Vorderkante vergleichsweise einfach bereitstellen.
  • Eine über die Höhe des Schaufelblatts angepasste bzw. homogenisierte Zyklonkühlung der Vorderkante lässt sich gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch erreichen, dass eine in Spannweitenrichtung ermittelbare Dichte an Durchtrittsöffnungen am fußseitigen Ende am größten ist, und vorzugsweise zur Schaufelspitze hin schrittweise oder kontinuierlich abnimmt. Hiermit kann die Strömungsgeschwindigkeit in der ersten Kühlmittelpassage über die Spannweite des Schaufelblatts nahezu konstant gehalten werden, was ebenso durch eine sich im Querschnitt verjüngende erste Kühlmittelpassage zur Schaufelspitze erreichbar ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an einer oder mehreren Innenflächen von einer oder mehreren Kühlmittelpassagen eine Vielzahl von vorzugsweise rippenförmigen, insbesondere geneigt angeordneten Turbulatoren angeordnet, um lokal den Wärmeübergang in das erste und oder zweite Kühlmittel weiter zu erhöhen und/oder um den Drall zu unterstützen.
  • Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist in jeder Hinterkanten-Kühlmittelpassage eine Vielzahl von in einem Muster d.h. in mehreren Reihen angeordneten Sockeln vorgesehen. Hiermit lässt sich ein saugseitiger und druckseitiger Hinterkantenbereich des Schaufelblatts, welcher sich an den Mittelbereich des Schaufelblatts anschließt und sich bis zur Hinterkante des Schaufelblatts erstreckt, in einfacher wie effizienter Weise austrittslochfrei, d.h. lokal geschlossen kühlen. Weiter können dadurch auch die Aufteilung des Kühlmittels für die beiden Kühlpfade und die darin auftretenden Druckverluste effizient eingestellt werden.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwei die zweite Kühlmittelpassage erweiternde, Kühlkanalarme vorgesehen, die mit zunehmender Erstreckung in Sehnenrichtung sich nach radial innen aufweiten und in der dritten Kühlmittelpassage münden. Diese Maßnahme reduziert bzw. kompensiert die Verringerung des Durchströmungsquerschnitts der zweiten Kühlmittelpassage, die sich aufgrund der tropfenförmigen Gestalt des zur Hinterkante spitz zulaufenden Schaufelprofils ergibt. Mithin kann für die gesamte Länge der zweiten Kühlmittelpassage eine annähernd konstante Querschnittsfläche erzielt werden, wodurch der erste Kühlmittelstrom mit konstanter Geschwindigkeit die zweite Kühlmittelpassage durchströmen kann. Strömungsablösung können somit vermieden werden unter Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Kühlung der Schaufelspitze sowie der lokalen Bereiche der Seitenwände.
  • Des Weiteren ist gemäß einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform zwischen der zweiten Kühlmittelpassage und der Serpentinen-Kühlmittelpassage eine Trennwand angeordnet, die die beiden Seitenwände miteinander verbindet und sich in Sehnenrichtung erstreckt, wobei die Trennwand mit zunehmender Annährung zur Hinterkante einen vorzugsweise spitz zulaufenden Verdrängungskeil ausbildet, der in Verbindung mit den Innenflächen der beiden Seitenwände die zwei Kühlkanalarme seitlich begrenzt.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der dritten Kühlmittelpassage und der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage eine sich in Spannweitenrichtung erstreckende hintere Trennrippe vorgesehen. Gegebenenfalls können in der hinteren Trennrippe auch ein oder mehrere Löcher vorhanden sein, um lokale Totwassergebiete in der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage zu verhindern.
  • Gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung weist die Hinterkante eine normierte Höhe von 100%, beginnend an ihrem fußseitigem Ende bei 0% und endend an der Schaufelspitze bei 100 %, auf, wobei die beiden Hinterkanten-Kühlmittelpassagen von einer sich hauptsächlich in Sehnenrichtung erstreckenden Trennrippe zumindest im Wesentlichen voneinander getrennt sind, die auf einer Höhe zwischen 45% und 75% der normierten Höhe angeordnet ist. Insbesondere hierdurch lässt eine besonders effiziente Aufteilung der insgesamt zur Verfügung stehenden Kühlmittelmenge erreichen, mit der zum einen eine homogene Kühlung des Schaufelblatts und zum anderen ein weiter reduzierter Kühlmittelverbrauch an sich erzielbar ist. Um die zum Gießen der Turbinenschaufel benötigten Gusskerne, welche später die beiden hinteren Hinterkanten-Kühlmittelpassagen hinterlassen, besser befestigen zu können und um Kernbruch zu vermeiden, ist es hilfreich sein, wenn diese Gusskerne über einige, wenige Stützen unmittelbar miteinander verbunden sind. Zwar hinterlassen dann die Stützen in der fertigen Turbinenschaufel Öffnungen in der Trennrippe, die die vollständige Trennung der beiden Hinterkanten-Kühlkanäle aufhebt, jedoch sind die beiden Hinterkanten-Kühlkanäle weiterhin im Wesentlichen voneinander getrennt.
  • Bevorzugtermaßen ist bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Serpentinen-Kühlmittelpassage zumindest zwei sich in Spannweitenrichtung erstreckende Kanalabschnitte und zumindest zwei Umkehrabschnitte, die einander abwechseln, umfasst, wobei der im Kühlmittelstrom weiter stromab gelegene Umkehrabschnitt mit der ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage unmittelbar strömungstechnisch verbunden ist.
  • Besonders bevorzugt und vorteilhaft ist die Weiterbildung der voran beschriebenen Ausführungsform, bei der die beiden Kanalabschnitte mittels eines Verdrängungskörpers und mittels der beiden Seitenwände in einer Querschnittsbetrachtung des Schaufelblatts im Wesentlichen jeweils C-förmig mit einem saugseitigen Kanalarm, einem druckseitigen Kanalarm und einem die beiden Kanalarme verbindenden Verbindungsarm ausgestaltet und derart zueinander angeordnet sind, dass sie den Verdrängungskörper nahezu vollständig umgeben. Hierdurch kann eine als Multiwall ausgestaltete Turbinenschaufel bereitgestellt werden. Durch die Ausgestaltung als Multiwall ist es einerseits möglich, ein Schaufelblatt zu erzeugen, das auch bei geringem mittelverbrauch eine relativ geringe Krümmung an der Vorderkante aufweist. Diese geringe Krümmung ist der Drallerzeugung in der ersten Kühlmittelpassage natürlich stark förderlich. Andererseits können durch aufgrund der Multiwall-Ausgestaltung die Kühlabschnitte vergleichsweise geringe Durchströmungsquerschnitte erhalten. Im Betrieb strömt sodann der zweite Kühlmittelstrom durch die Kanalabschnitte bzw. durch die Serpentinen-Kühlmittelpassage mit hinreichend gro-βer Geschwindigkeit und somit unter Ausbildung eines hinreichend hohen Wärmeübergangs. Dies insbesondere verringert die Menge an erforderlichem Kühlmittel für eine effiziente Kühlung des Mittelbereichs des Schaufelblatts zwischen Vorderkante und Hinterkantenbereich. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann der Verbrauch um etwa weitere 40% gesenkt werden, wodurch dann die thermische Effizienz der Turbinenschaufel vergleichsweise nah an das theoretische Maximum geführt werden kann.
  • Dabei erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Verdrängungskörper in einer Querschnittsbetrachtung einen Hohlraum umgreift und über Stege an den beiden Seitenwänden abgestützt ist.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung kann bei einer Turbinenlaufschaufel zur Kompensation von im Betrieb auf das zweite Kühlmittel auftretenden Corioliskräften zumindest einer, vorzugsweise bei beiden, die Druckseitenwand mit der Saugseitenwand verbindenden Stützrippen, welche sich vom fußseitigen Ende zur Schaufelspitze hin erstrecken auf der Stützrippe bzw. an den die Verbindungsarme begrenzenden Innenflächen des Verdrängungskörpers Elemente, vorzugsweise Turbulatoren, vorgesehen sein. Dadurch kann eine Querströmung von Kühlmittel aus dem saugseitigen Kanalarm durch den Verbindungsarm in den druckseitigen Kanalarm reduziert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum nicht von Kühlmittel durchströmbar, da er keine Austrittsöffnung für Kühlmittel aufweist. Dies verhindert eine ungewollte Störung der zweiten Kühlmittelströmung, ermöglicht aber die Verwendung einer besonders einfachen Gießvorrichtung, bei der die verwendeten Gusskerne besonders einfach und stabil an weiteren Komponenten der Gießvorrichtung befestigbar sind. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Turbinenschaufel vorzugsweise gegossen, wobei eine nach dem Gießen der Turbinenschaufel im Schaufelfuß vorhandene Öffnung, die mit dem Hohlraum in direkter, d.h. unmittelbarer Verbindung steht, von einer separat hergestellten Abdeckplatte verschlossen ist. Analoges gilt für eine nach dem Gießen der Turbinenschaufel im Schaufelfuß vorhandene Öffnung, die mit der ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage in direkter, d.h. unmittelbarer Verbindung steht. Bevorzugtermaßen ist auch eine solche verschlossen, indem eine separat hergestellte Abdeckplatte die betreffende Öffnung vollständig überdeckend am Schaufelfuß befestigt ist.
  • Zweckmäßigerweise sind für jeden Kühlpfad ein oder mehrere Einlässe vorgesehen, die mit der ersten Kühlmittelpassage bzw. der Versorgungspassage oder mit der Serpentinen-Kühlmittelpassage bzw. einem ihrer Kanalabschnitte unmittelbar strömungstechnisch verbunden sind.
  • Bevorzugtermaßen weist die Turbinenschaufel ein Aspektverhältnis von einer Hinterkanten-Spannweite bezogen auf eine am fußseitigen Ende zu erfassenden Sehnenlänge auf, welches 3,0 oder kleiner ist, da sich herausgestellt hat, dass die vorgeschlagene Aufteilung des zu Verfügung stehenden Kühlmittels in zwei vorzugsweise voneinander getrennte Kühlmittelströme und die gleichzeitig vorgeschlagene Aufteilung der Kühlung des Hinterkantenbereichs insbesondere für derartige Turbinenschaufeln eine beträchtliche Einsparung der Menge an Kühlmittel ermöglicht.
  • Grundsätzlich ist die Verwendung der voran beschriebenen Turbinenschaufel sowohl als an einem Rotor angebrachter Laufschaufel oder als an einem statischen Träger angebrachter Leitschaufel möglich.
  • In überraschender Weise lässt sich die voran beschriebene Turbinenschaufel auch in einer ersten oder zweite Turbinenstufe einer stationären Gasturbine verwenden, die bei ISO-Nennbetrieb eine Turbineneintrittstemperatur von mindestens 1300°C und/oder ein bei ISO-Nennbetrieb auftretendes Verdichtungsverhältnis von 19:1 oder größer aufweist. Im Sinne dieser Anmeldung fallen so genannte Aero-Derivate nicht unter die Definition von stationären Gasturbinen. Mithin ist die Erfindung nicht nur für solche stationären Gasturbinen geeignet, deren Heißgas-Temperaturen am Turbineneintritt nach heutigen Maßstäben als vergleichsweise gering angesehen werden.
  • Die bisherige Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu einer Einheit zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kombinierbar. So sind etwa auch Verfahrensmerkmale, gegenständlich formuliert, auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit zu sehen und umgekehrt.
  • Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, 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. Ebenso dienen die Zählwörter "erster", "zweiter", "dritter", etc. lediglich zur Unterscheidung von Merkmalen, die grundsätzlich ähnlicher Natur sind.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Seitenansicht auf eine Turbinenlaufschaufel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
    Figur 2
    das Kühlschemata der Turbinenlaufschaufel gemäß Figur 1,
    Figur 3
    den Längsschnitt durch die Turbinenlaufschaufel gemäß des ersten Ausführungsbeispiels,
    Figur 4
    einen Querschnitt durch die Turbinenlaufschaufel gemäß Figur 3 entlang der Schnittlinie A-A,
    Figuren 5 - 7
    Längsschnitte durch die Turbinenlaufschaufel gemäß Figur 3 entlang der Schnittlinien B-B, C-C bzw. D-D,
    Figur 8
    einen Querschnitt durch die Turbinenlaufschaufel gemäß Figur 1 entlang der Schnittlinie E-E und
    Figur 9
    in schematischer Darstellung eine stationäre Gasturbine.
  • In den Figuren weisen alle technischen Merkmale, welche mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, gleiche technische Wirkung auf.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Turbinenschaufel 10 erläutert, welche als Turbinenlaufschaufel ausgestaltet ist. Gleichwohl kann es sich bei der Erfindung auch um eine Turbinenleitschaufel handeln.
  • Als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Figur 1 eine Turbinenschaufel 10 in einer Seitenansicht. Die vorzugsweise in einem Feinguss-Verfahren hergestellte Turbinenschaufel 10 umfasst einen nur im Ansatz dargestellten Schaufelfuß 12. Der Schaufelfuß 12 kann in bekannter Art und Weise in einer Schwalbenschwanzform oder einer Tannenbaumform ausgestaltet sein. Daran schließt sich eine Plattform 13 an, von der aus sich in Spannweitenrichtung R ein Schaufelblatt 18 sich von einem fußseitigen Ende 20 zu einer Schaufelspitze 22 erstreckt. Wenn die Turbinenlaufschaufel 10 in einer axial durchströmten Gasturbine eingebaut ist, fallen die Spannweitenrichtung und die Radialrichtung der Gasturbine zusammen. In einer quer zur Spannweitenrichtung R orientierten Sehnenrichtung S erstreckt sich das Schaufelblatt 18 von einer Vorderkante 24 zu einer Hinterkante 26. In der Hinterkante 26 sind Austrittslöcher 46, 56 entlang der Spannweitenrichtung verteilt. Ein Aspektverhältnis HSP/SL von einer Hinterkanten-Spannweite HSP bezogen auf eine am fußseitigen Ende zu erfassenden Sehnenlänge SL beträgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel 1,9 und liegt bevorzugtermaßen im Bereich zwischen 1,5 und 3.
  • An einer seitlichen Fläche der Plattform 13 münden ebenfalls Austrittsöffnungen 28. Die Austrittslöcher 46, 56 sowie die Austrittsöffnungen 28 sind in Strömungsverbindung mit einem inneren Kühlsystem der Turbinenlaufschaufel 10.
  • Das Kühlsystem der Turbinenlaufschaufel 10 und insbesondere des Schaufelblatts 18 ist in der Figur 2 als Kühlschemata schematisch dargestellt. Der Turbinenlaufschaufel 10 sind ein erster Kühlmittelstrom M1 und ein zweiter Kühlmittelstrom M2 getrennt zuführbar. Der erste Kühlmittelstrom M1 durchströmt einen ersten Kühlpfad 30, welcher sich aus mehreren Kühlmittelpassagen 31, 32, 33, 34, 36a, 36b, 38, 40, 44 zusammensetzt. Stromab eines in der Figur 2 nicht dargestellten Einlasses für den Kühlmittelstrom M1 folgt eine Versorgungspassage 31, die über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 33 mit einer ersten Kühlmittelpassage 32 in Strömungsverbindung steht. Die erste Kühlmittelpassage 32 dient zur Zyklonkühlung der Vorderkante 24 des Schaufelblatts 18 sowie des sich daran unmittelbar anschließenden Vorderkantenbereichs 39. Im Bereich der Schaufelspitze 22 geht die erste Kühlmittelpassage 32 in eine zweite Kühlmittelpassage 34 über, welche zur Kühlung der Schaufelspitze 22 sich von der Vorderkante 24 über eine vergleichsweise große Sehnenlänge der Schaufelspitze 22 sich in Richtung Hinterkante 26 erstreckt. In der Schaufelspitze können dritte Austrittslöcher 67 zur Kühlung von später erläuterten Anstreifkanten angeordnet sein. Weiter umfasst die zweite Kühlmittelpassage 34 zwei erst in der zweiten Hälfte der zweiten Kühlmittelpassage 34 beginnende Kühlkanalarme 36a, 36, die ebenso wie das stromabseitige Ende der zweiten Kühlmittelpassage 34 mit einer dritten Kühlmittelpassage 38 verbunden sind. Letztere ist über einen Umkehrabschnitt 40 mit einer zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 strömungstechnisch verbunden. Der den ersten Kühlpfad 30 durchströmende Kühlmittelstrom M1 kann dann über eine Vielzahl von zweiten Austrittslöchern 46 die Turbinenlaufschaufel 10 an ihrer Hinterkante 26 verlassen. Parallel zum ersten Kühlpfad 30 und strömungstechnisch vorzugsweise vollständig davon getrennt ist ein zweiter Kühlpfad 50 angeordnet, welcher stromab eines in Figur 2 nicht weiter dargestellten Einlasses eine Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 aufweist. Die Serpentinen-Kühlmittel-passage 52 umfasst zur Kühlung eines Mittelbereichs 48 (Figur 1) gemäß diesen Ausführungsbeispiel zwei sich in Spannweitenrichtung erstreckende Kanalabschnitte 55a, 55b, die über einen dazwischen angeordneten Umkehrabschnitt 57a miteinander verbunden sind. Am stromab gelegenen Ende des zweiten Kanalabschnitts 55b schließt sich ein zweiter Umkehrabschnitt 57b an, welcher den zweiten Kanalabschnitt 55b mit einer ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54 strömungstechnisch verbindet. Der den zweiten Kühlpfad 50 durchströmende Kühlmittelstrom M2 kann dann den über eine Vielzahl von ersten Austrittslöchern 46 die Turbinenlaufschaufel 10 an ihrer Hinterkante 26 verlassen. Beide Hinterkanten-Kühlmittelpassagen 44, 54 dienen zur Kühlung eines Hinterkantenbereichs 59 (Figur 1).
  • Figur 3 zeigt als Längsschnitt eine innere Struktur der Turbinenlaufschaufel 10 gemäß Figur 1, welche zu dem Kühlschemata nach Figur 2 korrespondierend ausgestaltet ist. Hierzu umfasst die Turbinenlaufschaufel 10 eine Reihe von unterschiedlich angeordneten Wänden und Rippen, die die einzelnen Kühlpfade und Kühlmittelpassagen voneinander trennen. Im Schaufelfuß 12 sind zwei Einlässe 80 für die beiden Kühlmittelströme M1 und M2 bzw. für die beiden Kühlpfade 30, 50 vorgesehen. Zwischen den beiden Einlässen 80 ist eine die beiden Seitenwände 14, 16 miteinander verbindende vorderen Stützrippe 66v angeordnet, die für einen ersten Abschnitt den ersten Kühlpfad 30 vom zweiten Kühlpfad 50 trennt. Eine vorderen Trennrippe 49v trennt zudem die Versorgungspassage 31 von der ersten Kühlmittelpassage 32, wobei in der vorderen Trennrippe 49v eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 33 (Detail zu Figur 4) angeordnet sind. In Figur 3 sind von diesen jedoch lediglich die Mündungen der Durchtrittsöffnungen dargestellt. Wie aus Figur 3 hervorgeht, ist im plattformnahen Bereich eine größere Dichte von Durchtrittsöffnungen 33 vorgesehen als im spitzennahen Bereich. Die Lage und die Orientierung der Durchtrittsöffnungen 33 in der vorderen Trennrippe 49v ist so gewählt, dass in der ersten Kühlmittelpassage 32 eine vergleichsweise stark verdrallte Kühlmittelströmung entstehen kann. Unter einer verdrallten Kühlmittelströmung ist eine solche zu verstehen, die zyklonartig bzw. analog zu einer Schraubenlinie bzw. einer Helix sich vom fußseitigen Ende 20 zur Schaufelspitze 22 hin ausbilden kann. Mithin sind sie in der vorderen Trennrippe 49v außermittig und insbesondere mit den Innenwänden der Saugseitenwand 16 (oder Druckseitenwand) fluchtend angeordnet, ggf. sogar unter einer Neigung zur Schaufelspitze 22 hin um die Abschwächung des Dralls beim Durchströmen der ersten Kühlmittelpassages 32 zumindest teilweise zu kompensieren.
  • Am äußeren Ende der ersten Kühlmittelpassage 32 schließt sich die zweite Kühlmittelpassage 34 zur Kühlung eines Bodens 37 der Schaufelspitze 22 an, wobei die zweite Kühlmittelpassage 34 durch eine Trennwand 60 von der Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 getrennt ist. Am hinterkantennahen Ende der zweiten Kühlmittelpassage 34 schließt sich die dritte Kühlmittelpassage 38 an, welche sich von der Schaufelspitze 22 in Richtung des fußseitigen Endes 22 erstreckt, jedoch etwa nur bis zur halben Höhe des Schaufelblatts 18, wobei die Höhe des Schaufelblatts 18 an der Hinterkante 26 zu erfassen ist. Daran schließt sich ein weiterer Umkehrabschnitt 40 an, mittels dem der erste Kühlmittelstrom M1 der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 zugeführt werden kann. Die dritte Kühlmittelpassage 38 ist durch eine entsprechend ausgestaltete hinteren Trennrippe 49h von der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54 größtenteils getrennt.
  • In der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 sind vom Kühlmittel M1 umströmbare Sockel 53 in mehreren Reihen hintereinander angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Sockel eher Rennbahn-förmig ausgestaltet mit vergleichsweise engen Durchtrittspassagen, um einen möglichst hohen Druckverlust herbeizuführen. Der erste Kühlpfad 30 endet in in der Hinterkante 26 vorgesehenen zweiten Austrittslöchern 46, durch welche zumindest ein Großteil des durch den zugehörigen Einlass 80 zugeführten Kühlmittelstroms M1 aus der Turbinenlaufschaufel 10 entlassen werden kann.
  • Der zweite Kühlpfad 50 zur Führung des zweiten Kühlmittelstroms M2 und umfasst im Wesentlichen die Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 sowie die erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44. Ersteres lässt sich in vier aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilen, von denen der erste als erster Kanalabschnitt 55a bezeichnet ist. Daran anschließend folgt aufeinander ein erster Umkehrabschnitt 57a, ein zweiter Kanalabschnitt 55b sowie ein zweiter Umkehrabschnitt 57b. Letzter verbindet die Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 mit der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54, welche analog zur ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 mit in mehreren Reihen angeordneten, Rennbahn-förmigen Sockeln 53 ausgestaltet ist.
  • Die beiden Kanalabschnitte 55a, 55b der Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 erstrecken sich entlang der Spannweitenrichtung R über einen Großteil des Schaufelblatts 18. Der erste Kanalabschnitt 55a als auch der zweite Kanalabschnitt 55b sind, wie in Figur 4 zusätzlich dargestellt, im Wesentlichen U-förmig mit jeweils einem saugseitig angeordneten Kanalarm 55as, 55bs, einem druckseitigen angeordneten Kanalarm 55ad, 55bd sowie einem die betreffenden Kanalarme verbindenden Verbindungsarm 55av, 55bv. Demzufolge ist der erste Kanalabschnitt 55a von der druckseitigen Seitenwand 14, von der vorderen Stützrippe 66v, von der saugseitigen Seitenwand 16 sowie einem im Inneren angeordneten Verdrängungskörper 70 - im Querschnitt gemäß Figur 4 - umgeben. Der zweite Kanalabschnitt 55b ist von der druckseitigen Seitenwand 14, von einer hinteren Stützrippe 66h, von der saugseitigen Seitenwand 16 sowie dem im Inneren angeordneten Verdrängungskörper 70 umgeben. Der Verdrängungskörper 70 umgreift selbst einen Hohlraum 72 und ist über Stege 71 an der druckseitigen Seitenwand 14 bzw. der saugseitigen Seitenwand 16 abgestützt. Die Stege 71 erstrecken sich annähernd über die gesamte Höhe des Schaufelblatts 18 und dienen einerseits zur monolithischen Befestigung des Verdrängungskörpers 70 in der Turbinenlaufschaufel 10 und andererseits zur Trennung der beiden Kanalabschnitte 55, 57. Bezugnehmend auf Figur 2 ist erkennbar, dass der Verdrängungskörper 72 an seinem radial äußeren Ende hinterkantenseitig gestutzt ist. Diese Maßnahme verbessert die mechanische Integrität der Turbinenlaufschaufel 10 und insbesondere deren Schwingungsfestigkeit.
  • Die beiden Hinterkanten-Kühlmittelpassagen 44, 54 sind von einer sich hauptsächlich in Sehnenrichtung S erstreckenden Trennrippe 64 sind zumindest größtenteils, wenn nicht gar vollständig voneinander getrennt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel endet die Trennrippe 64 auf einer Höhe von 55% einer normierten Schaufelblatthöhe der Hinterkante 24. Vorzugsweise ist die Trennrippe 64 auf einer Höhe zwischen 45% und 75% der normierten Höhe angeordnet.
  • Die Figuren 5 bis 7 zeigen Schnitte durch die Spitze der Turbinenlaufschaufel 10 gemäß der drei Schnittlinien B-B, C-C und D-D aus Figur 3. An dem äußeren Ende der Schaufelspitze 72 sind sowohl saugseitig als auch druckseitig Anstreifkanten 78 vorgesehen. Zudem ist es ersichtlich, dass der Verdrängungskörper 70 an seinem radial äußeren Ende nicht verschlossen, sondern zum ersten Umkehrabschnitt 57a hin geöffnet ist. Insofern wäre zwar ein Einströmen des zweiten Kühlmittelstroms M2 möglich. Da jedoch eine für das Erstellen des Hohlraums 72 bzw. des Verdrängungskörpers 70 erforderliche Öffnung 74a am Schaufelfuß 12 durch eine dort nach dem Gießen angebrachte Abdeckplatte 76a (Figur 1) verschlossen ist, mangelt es dem Hohlraum 72 an Austrittsöffnungen. Demzufolge ist er nicht durchströmbar, sondern als Totwasser-Raum ausgestaltet. Folglich bietet es sich an, dessen Innengestalt ggf. zu schon noch in der Entwurfsphase mittels des Vorsehens von weiteren Strukturen wie Rippen, Streben oder dergleichen zu variieren, wenn falls eine Modalanpassung erforderlich ist. Der besondere Vorteil würde darin liegen, dass allein die Eigenfrequenz der Turbinenschaufel angepasst werden würde, ohne sonstige Eigenschaften wie Aerodynamik oder Wärmeaustausch zu beeinflussen.
  • Weiter zeigen die Figuren 5 bis 7, wie die Trennwand 60 mit zunehmender Annäherung zur Hinterkante 24 einen spitz zulaufenden Verdrängungskeil 62 ausbildet, der in Verbindung mit den Innenflächen der beiden Seitenwänden 14, 16 die beiden Kühlkanalarme 36a und 36b jeweils seitlich begrenzen. Mithilfe des spitz zulaufenden Verdrängungskeil 62 lässt sich die Stutzung des Verdrängungskörpers 70 kompensieren, sodass weiterhin eine seitenwandnahe Führung des Kühlmittelstroms M2 im gestutzten Bereich und somit eine hinreichende Kühlung dessen effizient möglich ist. Ist die Stutzung des Verdrängungskörpers nicht zwingend notwendig, kann die Größe des Verdrängungskeils reduziert werden. Ggf. kann sogar ganz darauf verzichtet werden.
  • Figur 8 zeigt in einer zur Schaufelspitze 22 - also nach au-ßen - gerichteten Sicht einen Querschnitt auf die stromabwärtige Hälfte der Schaufelspitze 22 gemäß Schnittlinie E-E aus Figur 3.
  • Gemäß eines nicht weiter gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels kann anstelle oder zusätzlich zur Versorgungspassage 31 ein schaufelfußseitiger Kanalabschnitt vorgesehen sein, welcher eine Verlängerung der ersten Kühlmittelpassage 32 bis zur Unterseite des Schaufelfußes 12 darstellen kann. In diesem schaufelfußseitigen Kanalabschnitt können entsprechend geeignete Drallerzeuger, beispielsweise Spiralrippen, vorgesehen sein, die den Kühlmittelstrom M1 bei der Durchströmung des schaufelfußseitigen Kanalabschnitts zyklonartig verdrallen. In diesem Fall wäre die erste Kühlmittelpassage 32 durch die vordere Stützrippe 66v von dem Verbindungskanal 55av getrennt, sodass in der vorderen Stützrippe 66v angeordnete Durchtrittsöffnung 33 eine Wiederauffrischung bzw. Verstärkung des Drallimpulses begünstigen könnten. Insofern kann es gegebenenfalls sogar sinnvoll sein, die beiden Kühlmittelströme M1 und M2 nicht gänzlich voneinander getrennt durch die Turbinenschaufel 10 zu führen, sondern in einem sehr geringen Umfang einen Austausch zuzulassen, indem an sehr wenigen Stellen einzelne Löcher mit vorzugsweise geringen Durchmessers die beiden ansonsten strömungstechnisch getrennten Kühlpfade miteinander verbunden sind.
  • Figur 9 zeigt lediglich schematisch eine Gasturbine 100 mit einem Verdichter 110, einer Brennkammer 120 sowie einer Turbineneinheit 130. An einem Rotor 140 der Gasturbine ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Generator 150 zur Stromerzeugung angekoppelt. Der Verdichter 110 ist derart ausgestaltet, dass er im Betrieb bei ISO-Normbedingungen ein Druckverhältnis von verdichteter Umgebungsluft VL zu angesaugter Umgebungsluft L von 19:1 oder größer erzeugen kann. In der Brennkammer 120 wird dann die verdichtete Luft VL mit einem Brennstoff F gemischt und zu einem Heißgas HG verbrannt. Brennkammer 120 und Turbineneinheit 130 sind derart ausgestaltet, dass das am Ausgang der Brennkammer 120 bzw. am Eintritt der Turbineneinheit 130 strömende Heißgas HG bei ISO-Normbedingungen eine Temperatur von mindestens 1300°C aufweist, wobei die Lauf- und Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe oder der zweiten Turbinenstufe in der hier beschriebenen Art und Weise ausgestaltet sind. Das in der Turbineneinheit 130 entspannte Heißgas HG verlässt dieses als Rauchgas RG.
  • Insgesamt wird mit der Erfindung eine Turbinenschaufel 10 mit einem Schaufelfuß 12 und einem Schaufelblatt 18 vorgeschlagen, welches sich entlang einer Spannweitenrichtung R von einem fußseitigen Ende 20 zu einer Schaufelspitze 22 und entlang einer zur Spannweitenrichtung R quer angeordneten Sehnenrichtung S von einer Vorderkante 24 zu einer Hinterkante 26 erstreckt, wobei im Inneren des Schaufelblatts 18 ein erster Kühlpfad 30 für einen ersten Kühlmittelstrom M1 und ein zweiter Kühlpfad 50 für einen zweiten Kühlmittelstrom M2 ausgestaltet sind, wobei der erste Kühlpfad 30 eine erste Kühlmittelpassage 32, die zu einer Zyklonkühlung der Vorderkante 24 eingerichtet ist und eine sich an die erste Kühlmittelpassage 32 anschließende zweite Kühlmittelpassage 34, die sich unterhalb der Schaufelspitze 22 von der Vorderkante 24 in Richtung der Hinterkante 26 erstreckt, umfasst, wobei der zweite Kühlpfad 50 eine Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 zur Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Vorderkantenbereich 39 angeordneten Mittelbereichs 48 des Schaufelblatts 18 und eine erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54 zur zumindest teilweisen Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Mittelbereich 48 angeordneten, bis zur Hinterkante reichenden Hinterkantenbereichs 59 des Schaufelblatts 18 umfasst, wobei die erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54 mit einer Vielzahl von ersten, in der Hinterkante 26 angeordneten Austrittslöchern 56 strömungstechnisch verbunden ist. Um eine Turbinenschaufel mit einem weiter reduzierten Kühlmittelverbrauch bereitzustellen wird vorgeschlagen, dass die erste Kühlmittelpassage 32 und/oder die Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 für eine lokal geschlossene Kühlung eingerichtet ist und der erste Kühlpfad 30 eine sich an die zweite Kühlmittelpassage 34 anschließende dritte Kühlmittelpassage 38, die sich hauptsächlich radial nach innen erstreckt sowie eine, sich an die dritte Kühlmittelpassage 38 anschließende zweite Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 umfasst, welche zur Kühlung einer schaufelspitzenseitigen Region des Hinterkantenbereichs 59 ausgestaltet ist und mit einer Vielzahl von zweiten, in der Hinterkante 26 angeordneten Austrittslöchern 46 strömungstechnisch verbunden ist.

Claims (20)

  1. Turbinenschaufel (10) für eine insbesondere axial durchströmte Gasturbine, insbesondere für eine ihrer Hochdruck-Turbinenstufen,
    mit einem Schaufelfuß (12) und einem eine druckseitige Seitenwand (14) und eine saugseitige Seitenwand (16) umfassenden Schaufelblatt (18), welche Seitenwände (14, 16) sich entlang einer Spannweitenrichtung (R) von einem fußseitigen Ende (20) zu einer Schaufelspitze (22) und entlang einer zur Spannweitenrichtung (R) quer angeordneten Sehnenrichtung (S) von einer Vorderkante (24) zu einer Hinterkante (26) erstrecken,
    wobei im Inneren des Schaufelblatts (18) ein erster Kühlpfad (30) für einen ersten Kühlmittelstrom (M1) und ein vom ersten Kühlpfad (30) im Wesentlichen getrennter zweiter Kühlpfad (50) für einen zweiten Kühlmittelstrom (M2) ausgestaltet sind,
    wobei der erste Kühlpfad (30)
    - eine erste Kühlmittelpassage (32), die zu einer Zyklonkühlung der Vorderkante (24) eingerichtet ist und
    - eine sich an die erste Kühlmittelpassage (32) anschließende zweite Kühlmittelpassage (34), die sich unterhalb der Schaufelspitze (22) von der Vorderkante (24) in Richtung der Hinterkante (26) erstreckt,
    umfasst, wobei der zweite Kühlpfad (50)
    - eine Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) zur Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Vorderkantenbereich (39) angeordneten Mittelbereichs (48) des Schaufelblatts (18) und
    - eine erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) zur zumindest teilweisen Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Mittelbereich (48) angeordneten, bis zur Hinterkante reichenden Hinterkantenbereichs (59) des Schaufelblatts (18)
    umfasst, wobei die erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) mit einer Vielzahl von ersten, in der Hinterkante (26) angeordneten Austrittslöchern (56) strömungstechnisch verbunden ist,
    wobei
    die erste Kühlmittelpassage (32) und/oder die Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) austrittslochfrei ist
    und der erste Kühlpfad (30)
    - eine sich an die zweite Kühlmittelpassage (34) anschließende dritte Kühlmittelpassage (38), die sich hauptsächlich radial nach innen erstreckt sowie
    - eine, sich an die dritte Kühlmittelpassage (38) anschließende zweite Hinterkanten-Kühlmittelpassage (44), welche zur Kühlung einer schaufelspitzenseitigen Region des Hinterkantenbereichs (59) ausgestaltet ist und mit einer Vielzahl von zweiten, in der Hinterkante (26) angeordneten Austrittslöchern (46) strömungstechnisch verbunden ist,
    umfasst.
  2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
    bei der in der Schaufelspitze (22) ein oder mehrere Austrittslöcher (67) für Kühlmittel angeordnet sind, die mit der zweiten Kühlmittelpassage (34) strömungstechnisch verbunden sind.
  3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der der erste Kühlpfad (30) eine Versorgungspassage (31) für die erste Kühlmittelpassage (32) umfasst, die
    - unmittelbar neben der ersten Kühlmittelpassage (32) angeordnet
    - sich zumindest über einen Großteil der Spannweite des Schaufelblatts (18) erstreckend
    - über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (33) mit der ersten Kühlmittelpassage (32) strömungstechnisch verbunden ist, wobei die Durchtrittsöffnungen (33) Mittel aufweisen, um dem in der ersten Kühlmittelpassage (32) strömenden Kühlmittel (M1) einen Drall aufzuprägen.
  4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 3,
    bei der eine in Spannweitenrichtung (R) ermittelbare Dichte an Durchtrittsöffnungen (33) am fußseitigen Ende (20) am größten ist, und vorzugsweise zur Schaufelspitze (22) hin schrittweise oder kontinuierlich abnimmt.
  5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der in jeder Hinterkanten-Kühlmittelpassage (44, 54) eine Vielzahl von in einem Muster angeordneten Sockeln (53) vorgesehen ist.
  6. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der zwei die zweite Kühlmittelpassage (34) erweiternde, Kühlkanalarme (36a, 36b) vorgesehen sind, die mit zunehmender Erstreckung in Sehnenrichtung sich nach radial innen aufweiten und in der dritten Kühlmittelpassage (38) münden.
  7. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 6,
    bei der zwischen der zweiten Kühlmittelpassage (34) und der Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) eine Trennwand (60) angeordnet ist, die die beiden Seitenwände (14, 16) miteinander verbindet und sich in Sehnenrichtung (S) erstreckt, wobei die Trennwand (60) mit zunehmender Annährung zur Hinterkante (26) einen vorzugsweise spitz zulaufenden Verdrängungskeil (62) ausbildet, der in Verbindung mit den Innenflächen der beiden Seitenwände (14, 16) die zwei Kühlkanalarme (36a, 36b) seitlich begrenzt.
  8. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der zwischen der dritten Kühlmittelpassage (38) und der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage (44) eine sich in Spannweitenrichtung (R) erstreckende hintere Trennrippe (49h) vorgesehen ist.
  9. Turbinenschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Hinterkante (26) eine normierte Höhe von 100%, beginnend an ihrem fußseitigen Ende (20) bei 0% und endend an der Schaufelspitze (22) bei 100 %, aufweist, und
    bei der die beiden Hinterkanten-Kühlmittelpassagen (44, 54) von einer sich hauptsächlich in Sehnenrichtung (S) erstreckenden Trennrippe (64) voneinander getrennt sind, die auf einer Höhe zwischen 45% und 75% der normierten Höhe angeordnet ist.
  10. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der die Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) zumindest zwei sich in Spannweitenrichtung erstreckende Kanalabschnitte (55a, 55b) und zumindest zwei Umkehrabschnitte (57a, 57b) umfasst, wobei der im Kühlmittelstrom weiter stromab gelegene Umkehrabschnitt (57b) mit der ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) unmittelbar strömungstechnisch verbunden ist.
  11. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 10,
    bei der die beiden Kanalabschnitte (55a, 55b) mittels eines Verdrängungskörpers (70) und mittels der beiden Seitenwände (14, 16) in einer Querschnittsbetrachtung des Schaufelblatts (18) im Wesentlichen jeweils C-förmig mit einem saugseitigen Kanalarm (55as, 55bs), einem druckseitigen Kanalarm (55ad, 55bd) und einem die beiden Kanalarme verbindenden Verbindungsarm (55av, 55bv) ausgestaltet und derart zueinander angeordnet sind, dass sie den Verdrängungskörper (70) nahezu vollständig umgeben.
  12. Turbinenschaufel nach Anspruch 11,
    bei der der Verdrängungskörper (70) in einer Querschnittsbetrachtung einen Hohlraum (72) umgreift und über Stege (71) an den beiden Seitenwänden (14, 16) abgestützt ist.
  13. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
    bei der die Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) von zumindest einer, vorzugsweise von zwei die druckseitige Seitenwand (14) mit der saugseitigen Seitenwand (16) verbindenden Stützrippen (66h, 66v) begrenzt ist, welche sich vom fußseitigen Ende zur Schaufelspitze hin erstrecken und bei der vorzugsweise auf der Stützrippe (66v, 66h) bzw. an den die Verbindungsarme (55av, 55bv) begrenzenden Innenflächen des Verdrängungskörpers (70) Elemente, vorzugsweise Turbulatoren, vorgesehen sind, die eine Querströmung von Kühlmittel aus dem saugseitigen Kanalarm (55as, 55bs) durch den Verbindungsarm (55av, 55bv) in den druckseitigen Kanalarm (55ad, 55bd) reduzieren.
  14. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 12 oder 13,
    bei der der Hohlraum (72) nicht von Kühlmittel (M) durchströmbar ist und insbesondere keine Austrittsöffnung für Kühlmittel (M) aufweist (Totwasser-Hohlraum).
  15. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    die gegossen ist und bei der eine nach dem Gießen der Turbinenschaufel im Schaufelfuß (12) vorhandene Öffnung (74a), die mit dem Hohlraum (72) in direkter Verbindung steht, von einer separat hergestellten Abdeckplatte (76a) verschlossen ist.
  16. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die gegossen ist.
  17. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 15 oder 16,
    bei der eine nach dem Gießen der Turbinenschaufel im Schaufelfuß (12) vorhandene Öffnung (74b), die mit der ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) in direkter Verbindung steht, von einer separat hergestellten Abdeckplatte (76b) verschlossen ist.
  18. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der für jeden Kühlpfad (30, 50) ein oder mehrere Einlässe (80) vorgesehen sind, die mit der ersten Kühlmittelpassage (32) bzw. der Versorgungspassage (31) oder mit der Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) bzw. einem ihrer Kanalabschnitte (55a) unmittelbar strömungstechnisch verbunden sind.
  19. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    mit einem Schaufelblatt-Aspektverhältnis HSP/SL von einer Hinterkanten-Spannweite (HSP) bezogen auf eine am fußseitigen Ende zu erfassenden Sehnenlänge (SL), welches 3,0 oder kleiner ist.
  20. Verwendung einer Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer ersten oder zweite Turbinenstufe einer stationären Gasturbine mit einer bei ISO-Nennbetrieb auftretenden Turbineneintrittstemperatur von mindestens 1300°C und/oder mit einem bei ISO-Nennbetrieb auftretenden Verdichterdruckverhältnis von 19:1 oder größer.
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