EP4671498A1 - Gekühlte turbinenschaufel, insbesondere für ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Gekühlte turbinenschaufel, insbesondere für ein gasturbinentriebwerk

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EP4671498A1
EP4671498A1 EP25185447.7A EP25185447A EP4671498A1 EP 4671498 A1 EP4671498 A1 EP 4671498A1 EP 25185447 A EP25185447 A EP 25185447A EP 4671498 A1 EP4671498 A1 EP 4671498A1
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EP
European Patent Office
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section
channel
cooling
upstream
downstream
Prior art date
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Pending
Application number
EP25185447.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Knut Lehmann
Markus WEINERT
Hans-Martin Schlesier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade, particularly for a gas turbine engine, comprising a pressure-side wall section and a suction-side wall section, the blade extending radially and axially from an upstream flank to an downstream flank with respect to an installed state, in which a cooling channel arrangement is formed with at least one cooling channel, which has an upstream channel section extending at least predominantly radially near the upstream flank, an downstream channel section extending at least predominantly radially near the downstream flank, and an inner channel section located between these, which is directed at least predominantly radially, as well as a first and second deflection section connecting these channel sections, wherein, with respect to a cooling fluid guided through the cooling channel arrangement during cooling operation, the upstream channel section or the downstream channel section forms the inlet-side channel section.
  • the invention further relates to a method for manufacturing such a turbine blade and a high-pressure turbine equipped therewith.
  • a turbine blade of this type is used in the DE 691 05 837 T2 specified.
  • a blade body or blade extends essentially radially between a central blade root and an outer blade ring section and has inside the blade a cooling channel arrangement with a cooling channel that comprises a first channel section on the upstream side with respect to an installation state in a turbine and a second channel section deflected thereto by about 180° via a bending section, wherein the channel sections thus lying side by side are separated from each other by means of a generally flat wall that is locally thickened in the area of the bend.
  • the DE 600 28 529 T shows ceramic turbine blades with a cooled trailing edge.
  • the cooling channel arrangement thus formed in the turbine blade includes, for example, a serpentine cooling channel which can be designed for the flow of a cooling fluid from the downstream flank to the upstream flank in a forward direction or vice versa in a reverse direction.
  • the channel arrangement designed for reverse flow generally results in particularly good cooling in the leading and middle sections of the blade, but less effective cooling at the end of the internal cooling passages, i.e., in the rear radially outer region of the blade, specifically in its trailing edge and radially outer regions.
  • a precision casting process is used to manufacture the turbine blade with its complex internal cooling channels.
  • the mold consists of a ceramic shell (for the outer blade shape) and a conical core, which defines the internal channel shape.
  • Complexly designed core extensions are required to securely fix the mold core. This is because, with a conventional serpentine cooling channel design, two core extensions are necessary on the outer surface. These extensions can interfere with each other in the outer area, especially when they have to be positioned close together at U-shaped bends. This limits the overall channel design.
  • the present invention is based on the objective of creating a turbine blade characterized by the most efficient and balanced blade cooling possible, while also achieving an economical manufacturing method, and also providing a high-pressure turbine, in particular a high-pressure turbine for a gas turbine engine, with improved cooling efficiency.
  • the inner channel section is arranged downstream of the upstream channel section and the downstream channel section in the direction of flow of the cooling fluid.
  • an investment casting process with a mold core is used, by means of which the cooling channel arrangement is formed in the subsequent manufacturing process.
  • the mold core is fixed in the radially outer region of the cooling channel arrangement by means of a radially outwardly directed core extension arrangement.
  • the core extension arrangement is provided that In the radially outer area of the first deflection section connecting the upstream and downstream channel sections, the core is formed by means of only one core extension.
  • This design achieves a turbine blade with particularly advantageous structure and cooling function by connecting the inner or central channel section at its downstream end, via a flow-through opening, to a region of equal or lower cooling fluid pressure.
  • This lower pressure is generated in the first deflection section connecting the upstream and downstream channel sections.
  • This connection of the inner channel section at its downstream end in the junction between the upstream and downstream channel sections, within the region of lower cooling fluid pressure ensures a continuous flow of cooling fluid within the turbine blade.
  • a simple and stable core fixation is achieved by attaching the core extension in this region using a single core extension, resulting in significant advantages of the manufacturing process.
  • the first and second deflection sections are U-shaped with two U-legs merging into the respective channel sections and a curved U-rib encompassing a concave curvature area, and that the connection area is located upstream, centrally, or downstream within the concave curvature area of the U-rib of the first deflection section.
  • the alternative arrangements of the connection area on the U-rib, in conjunction with the cooling channel design and the respective blade, offer optimized adaptation possibilities with regard to the cooling function.
  • Cooling efficiency for balanced cooling of the turbine blade can also be favorably influenced by equipping at least a section of the cooling channel with an obstacle structure or turbulators to generate vortices in the flow of the cooling fluid. These turbulences of the cooling fluid result in more uniform heat transfer and distribution across the blade.
  • the Fig. 1 Figure 1 shows an exemplary cross-section of an airfoil 12 of a turbine blade 1, for example in the central region with respect to its radial extent.
  • the airfoil 12 has a pressure-side wall section 10 and a suction-side wall section 11, which extend from an upstream flank 15 (also referred to as leading edge LE) to a downstream flank 16 (also referred to as trailing edge TE) and merge into one another in these flank regions.
  • the pressure-side wall section 10 and the suction-side wall section 11 surround a cooling channel arrangement 4 formed inside the airfoil 12, comprising an upstream channel section 40, a downstream channel section 42, and an inner channel section 44 arranged between them, separated by partition wall sections 13 and 14 (except in Figure 1).
  • Fig. 2 (shown deflection sections) are separated from each other.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section of the blade 12 of a turbine blade 1, which is arranged on a central platform 2 and extends essentially radially outwards.
  • the cooling channel arrangement 4 formed in the blade 12 of the turbine blade 1 has (with respect to an operating condition of such turbine blades 1) (of a gas turbine) the upstream channel section 40, which is located in the area of an upstream flank 15 and is directed substantially radially outwards, the downstream channel section 42, which is located in the area of the downstream flank 16 and is connected to it via a U-shaped first deflection section 41 and is directed substantially radially inwards, and is connected to it via a U-shaped second deflection section 43 and is directed substantially radially outwards, and is located in the spatially central channel section 44, which is located in the central area of the turbine blade 1 and thus between the upstream channel section 40 and the downstream channel section 42.
  • the blade 12 has the pressure-side wall section 10 and the suction-side wall section 11, which delimit the channel sections 40, 42, 44 on their pressure-side and suction-side sides, respectively.
  • the channel sections 40, 42, 44 are laterally delimited (except for the deflection sections 41, 43) by the substantially radially extending partition wall sections 13, 14 of the partition wall arrangement 5, which extend between the pressure-side wall section 10 and the suction-side wall section 11 of the blade 12, as shown in the figure. Fig. 1 visible.
  • the U-shaped first deflection section 41 is wider than the centrally located U-shaped second deflection section 43, which also has a U-shaped web extending in an arc and adjoining U-shaped legs transitioning into the respective channel sections 42 and 44.
  • the inner or middle channel section 44 is fluidly connected at its downstream end region to the concave inner surface of the first deflection section 41 via a connection area 45 (through the opening formed). In this connection area of the first deflection section 41, the flow channel or flow cross-section is shaped accordingly.
  • the cooling channel is provided with a turbulator-like obstacle structure 7 along its inner wall surface. This structure creates turbulence in the cooling fluid flow, thus homogenizing heat transfer in the relevant zones. Furthermore, for effective cooling, particularly of the pressure-side wall section 10 and the suction-side wall section 11, film cooling holes 6 are provided at least partially between these wall sections and the cooling channel assembly 4. These holes support the cooling of the respective outer wall sections or the outer surface of the blade 12.
  • the cooling channel assembly 4 may include further cooling channels.
  • the design of the turbine blade 1 with the cooling channel arrangement 4 thus arranged in the blade 12, which has the connection area 45 between the end area of the inner channel section 44 and the first deflection section 41, results not only in the aforementioned functional advantages in cooling but also in a simplification in manufacturing by means of the investment casting process, since only a core extension 3 can be used to stabilize the mold core in the connection area 45 between the end area of the inner channel section 44 and the first deflection section 41, thus eliminating the need for a complex design of a core extension arrangement for stabilization.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel (1), insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem einen druckseitigen Wandabschnitt (10) und einen saugseitigen Wandabschnitt (11) aufweisenden, sich bezüglich eines Einbauzustands radial und in axialer Anstellung von einer Anströmflanke (15) zu einer Abströmflanke (16) erstreckenden Schaufelblatt (12), in dem eine Kühlkanalanordnung (4) mit mindestens einem Kühlkanal ausgebildet ist, welcher einen zumindest überwiegend radial, nahe der Anströmflanke verlaufenden, anströmseitigen Kanalabschnitt (40), einen zumindest überwiegend radial, nahe der Abströmflanke verlaufenden abströmseitigen Kanalabschnitt (42) und einen zwischen diesen liegenden, zumindest überwiegend radial gerichteten inneren Kanalabschnitt (45) sowie einen diese Kanalabschnitte verbindenden ersten und zweiten Umlenkabschnitt (41, 43) aufweist. Eine effiziente Kühlung wird dadurch bewirkt, dass der innere Kanalabschnitt (44) stromab bezüglich des anströmseitigen Kanalabschnitts (40) und des abströmseitigen Kanalabschnitts (42) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem einen druckseitigen Wandabschnitt und einen saugseitigen Wandabschnitt aufweisenden, sich bezüglich eines Einbauzustands radial und in axialer Anstellung von einer Anströmflanke zu einer Abströmflanke erstreckenden Schaufelblatt, in dem eine Kühlkanalanordnung mit mindestens einem Kühlkanal ausgebildet ist, welcher einen zumindest überwiegend radial, nahe der Anströmflanke verlaufenden, anströmseitigen Kanalabschnitt, einen zumindest überwiegend radial, nahe der Abströmflanke verlaufenden abströmseitigen Kanalabschnitt und einen zwischen diesen liegenden, zumindest überwiegend radial gerichteten inneren Kanalabschnitt sowie einen diese Kanalabschnitte verbindenden ersten und zweiten Umlenkabschnitt aufweist, wobei bezüglich eines im Kühlbetrieb durch die Kühlkanalanordnung geführten Kühlfluids der anströmseitige Kanalabschnitt oder der abströmseitige Kanalabschnitt den eingangsseitigen Kanalabschnitt bildet. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Turbinenschaufel und eine damit ausgestattete Hochdruckturbine.
  • Eine Turbinenschaufel dieser Art ist in der DE 691 05 837 T2 angegeben. Bei dieser bekannten Turbinenschaufel erstreckt sich ein Schaufelkörper bzw. Schaufelblatt im Wesentlichen radial zwischen einem zentralseitigen Schaufelfuß und einem außenliegenden Schaufelringabschnitt und weist im Innern des Schaufelblatts eine Kühlkanalanordnung mit einem Kühlkanal auf, der einen bezüglich eines Einbauzustands in einer Turbine anströmseitigen ersten Kanalabschnitt und einen daran über einen Biegeabschnitt um etwa 180° umgelenkten zweiten Kanalabschnitt umfasst, wobei die so seitlich nebeneinander liegenden Kanalabschnitte mittels einer im allgemeinen ebenen, im Bereich der Biegung örtlich verdickten Wand voneinander getrennt sind.
  • Die DE 600 28 529 T zeigt keramische Turbinenschaufeln mit gekühlter Abströmkante.
  • Verschiedene weitere Ausführungen von Turbinenschaufeln mit unterschiedlicher Ausbildung einer Kühlkanalanordnung im Schaufelblatt sind in der US 7600973 B2 , der US 7967563 B1 , der US 9518468 B2 , der KR 101513474 B1 und der US 7967563 B1 gezeigt. Hierbei gehen Kanalabschnitte ebenfalls über Umlenkungen im Wesentlichen um 180° ineinander über, wobei verschiedene Umlenkabschnitte und nebeneinander verlaufende Kanalabschnitte vorhanden sind.
  • Die so in dem Schaufelblatt der Turbinenschaufel gebildete Kühlkanalanordnung umfasst z. B. einen serpentinenförmig verlaufenden Kühlkanal, der zur Durchströmung mit einem Kühlfluid von der Abströmflanke hin zur Anströmflanke in Vorwärtsrichtung oder umgekehrt in Rückwärtsrichtung ausgebildet sein kann. Die zur Durchströmung in Rückwärtsrichtung ausgebildete Kanalanordnung ergibt in der Regel eine besonders gute Kühlung im vorderen und mittleren Abschnitt des Schaufelblatts, aber eine weniger gute Kühlung am Ende der internen Kühlungspassagen, also im hinteren radial äußeren Bereich der Schaufel bzw. in dessen Abströmkantenbereich und radial äußeren Bereich.
  • Zur Herstellung der Turbinenschaufel mit den komplexen internen Kühlungskanälen wird ein Feingussverfahren angewendet. Die Gussform besteht aus einer keramischen Hülle (für die äußere Schaufelform) und einem konischen Kern, welcher die schaufelinterne Kanalform definiert. Zur stabilen Fixierung des Formkerns sind komplex gestaltete Kernfortsätze erforderlich. Denn bei konventioneller serpentinenartiger Führung des Kühlkanals müssen nach außen hin zwei Kernfortsätze vorhanden sein. Die Kernfortsätze können sich im äußeren Bereich behindern, insbesondere wenn bei den U-Umlenkungen die Kernfortsätze eng nebeneinander ausgeführt werden müssen. Dadurch wird der Kanalaufbau eingeschränkt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel zu schaffen, die sich durch eine möglichst effiziente, ausgeglichene Schaufelkühlung auszeichnet, wobei auch eine günstige Herstellungsweise erreicht wird, und auch eine Hochdruckturbine, insbesondere Hochdruckturbine für ein Gasturbinentriebwerk, mit verbesserter Kühleffizienz bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und einer Hochdruckturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst.
  • Bei der Turbinenschaufel ist im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs weiterhin vorgesehen, dass der innere Kanalabschnitt in Strömungsrichtung des Kühlfluids stromab des anströmseitigen Kanalabschnitts und des abströmseitigen Kanalabschnitts angeordnet ist.
  • Bei der Herstellung der Turbinenschaufel wird ein Feingussverfahren mit einem Formkern angewendet, mittels dessen im weiteren Fertigungsprozess die Kühlkanalanordnung gebildet wird. Dabei wird der Formkern im radial außen liegenden Bereich der Kühlkanalanordnung mittels einer radial nach außen gerichteten Kernfortsatzanordnung fixiert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kernfortsatzanordnung in dem radial außen liegenden Bereich des den anströmseitigen und den abströmseitigen Kanalabschnitt verbindenden ersten Umlenkabschnitts mittels nur einen Kernfortsatzes gebildet wird. Ermöglicht wird diese gegenüber einer herkömmlichen Herstellungsweise vereinfachte Fertigung dadurch, dass der Kernfortsatz an dem ersten Umlenkabschnitt den Kern außen vollständig fixiert, während dazu bei konventioneller Ausführung zwei Fortsatzarme im Gießprozess für den die Kühlungskanäle erzeugenden Kern festgehalten werden müssen.
  • Infolge der im Anspruch 1 angegebenen Anordnung der Kühlkanalabschnitte wird eine gegenüber bisherigen Ausführungen ausgewogenere Kühlung des Schaufelkörpers über die Druckseite und Saugseite, insbesondere auch im Bereich der Anströmflanke und Abströmflanke und im radial äußeren Schaufelbereich erhalten, womit eine verbesserte Kühleffizienz erreicht wird. Durch die Anordnung der Kanalabschnitte ergeben sich kombinierte Vorteile, wie sie Kanalanordnungen mit vorwärts gerichteter und rückwärts gerichteter Kühlfluidströmung bieten.
  • Dabei wird eine hinsichtlich Aufbau und Kühlfunktion besonders vorteilhafte Turbinenschaufel dadurch erhalten, dass der innere bzw. mittlere Kanalabschnitt an seinem stromab liegenden Ende in einem Verbindungsbereich über eine Durchlassöffnung fluidleitend mit einem Bereich gleichen oder niedrigeren Kühlfluiddrucks, der in dem den anströmseitigen Kanalabschnitt und den abströmseitigen Kanalabschnitt verbindenden ersten Umlenkabschnitt erzeugt ist, verbunden ist. Durch diese Verbindung des inneren Kanalabschnitts über sein stromab liegendes Ende im Verbindungsbereich zwischen dem anströmseitigen und abströmseitigen Kanalabschnitt im Bereich des dort vorhandenen niedrigeren Kühlfluiddrucks wird eine kontinuierliche Strömung des Kühlfluids innerhalb der Turbinenschaufel sichergestellt. Bei der Herstellung wird durch eine Anbindung des Kernfortsatzes in diesem Bereich eine einfache, stabile Kernfixierung mittels eines einzigen Kernfortsatzes erreicht, wodurch sich auch wesentliche Vorteile des Herstellungsverfahrens ergeben.
  • Für die Kühlfunktion und Führung des Kühlkanals ist von Vorteil, dass der erste und der zweite Umlenkabschnitt U-förmig mit zwei in die betreffenden beiden der Kanalabschnitte übergehenden U-Schenkeln und einem gebogenen, einen konkaven Krümmungsbereich umfassenden U-Steg ausgebildet sind und dass der Verbindungsbereich in dem konkaven Krümmungsbereich des U-Stegs des ersten Umlenkabschnitts stromaufseitig, mittig oder stromabseitig angeordnet ist. Die alternativen Anordnungen des Verbindungsbereichs an dem Bereich des U-Stegs bieten dabei in Zusammenhang mit der Kühlkanalausbildung und des jeweiligen Schaufelblatts bezüglich der Kühlfunktion optimierte Anpassungsmöglichkeiten.
  • Für eine effiziente Kühlung der Turbinenschaufel im Inneren muss das Kühlflluid durch die Kühlkanäle strömen, um eine Kühlwirkung zu entfalten. Um eine möglichst gute Kühlwirkung zu gewährleisten, kann das Kühlfluid durch Filmkühllöcher druckseitig und/oder saugseitig, ausgeblasen werden
  • Die Kühlungseffizienz bei ausgewogener Kühlung der Turbinenschaufel kann auch dadurch günstig beeinflusst werden, dass zumindest ein Teilabschnitt des Kühlkanals mit einer Hindernisstruktur bzw. Turbulatoren zur Wirbelbildung im Strömungsverlauf des Kühlfluids versehen ist. Durch die Verwirbelungen des Kühlfluids wird eine vergleichmäßigte Wärmeübertragung und Wärmeverteilung im Schaufelblatt erreicht.
  • Weitere vorteilhafte Maßnahmen für eine effiziente und ausgewogene Kühlung der Turbinenschaufel ergeben sich dadurch, dass die Strömungsquerschnitte in Querschnittsfläche und/oder Kontur hinsichtlich einer gewünschten Temperaturverteilung über die druckseitige Schaufeloberfläche und saugseitige Schaufeloberfläche gestaltet sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Querschnitt einer Turbinenschaufel mit einem darin angeordneten anströmseitigen Kanalabschnitt, inneren Kanalabschnitt und abströmseitigen Kanalabschnitt und
    Fig. 2
    eine Längsschnittdarstellung (nach Art eines Meridionalschnitts) entlang einer im Wesentlichen radial gerichteten Schnittfläche einer Turbinenschaufel mit einem sich radial zwischen einer zentralseitigen Plattform und einem radial außenseitigen Halteteil erstreckenden Schaufelblatt.
  • Die Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Querschnitt eines Schaufelblatts 12 einer Turbinenschaufel 1, beispielsweise im mittleren Bereich bezüglich der radialen Erstreckung desselben. Das Schaufelblatt 12 weist einen druckseitigen Wandabschnitt 10 und einen saugseitigen Wandabschnitt 11 auf, die sich von einer (auch als leading edge LE) bezeichneten Anströmflanke 15 bis zu einer (auch als trailing edge TE) bezeichneten Abströmflanke 16 erstrecken und in diesen Flankenbereichen ineinander übergehen. Der druckseitige Wandabschnitt 10 und der saugseitige Wandabschnitt 11 umgeben eine im Innern des Schaufelblatts 12 ausgebildete Kühlkanalanordnung 4 mit einem anströmseitigen Kanalabschnitt 40, einem abströmseitigen Kanalabschnitt 42 und einem zwischen diesen angeordneten inneren Kanalabschnitt 44, die von Trennwandabschnitten 13, 14 (bis auf in Fig. 2 gezeigte Umlenkabschnitte) voneinander getrennt sind.
  • Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt des auf einer zentralseitigen Plattform 2 angeordneten, sich im Wesentlichen radial nach außen hin erstreckenden Schaufelblatts 12 einer Turbinenschaufel 1.
  • Die in dem Schaufelblatt 12 der Turbinenschaufel 1 ausgebildete Kühlkanalanordnung 4 weist (bezüglich eines Betriebszustands einer solche Turbinenschaufeln 1 aufweisenden Gasturbine) den im Bereich einer Anströmflanke 15 liegenden, im Wesentlichen radial nach außen gerichteten anströmseitigen Kanalabschnitt 40, den daran über einen U-förmig gebogenen ersten Umlenkabschnitt 41 angeschlossenen, im Wesentlichen radial nach innen gerichteten, im Bereich der Abströmflanke 16 liegenden abströmseitigen Kanalabschnitt 42 und den daran über einen U-förmig gebogenen zweiten Umlenkabschnitt 43 angeschlossenen, im Wesentlichen radial nach außen gerichteten inneren, räumlich mittleren Kanalabschnitt 44 auf, der im mittleren - zwischen der Anströmflanke 15 und der Abströmflanke 16 liegenden - Bereich der Turbinenschaufel 1 und damit zwischen dem anströmseitigen Kanalabschnitt 40 und dem abströmseitigen Kanalabschnitt 42 angeordnet ist. Zwischen der Anströmflanke 15 und der Abströmflanke 16 weist das Schaufelblatt 12 den druckseitigen Wandabschnitt 10 und den saugseitigen Wandabschnitt 11 auf, die die Kanalabschnitte 40, 42, 44 auf ihrer druckseitig bzw. saugseitig gelegenen Seite begrenzen. Im Innern des Schaufelblatts 12 sind die Kanalabschnitte 40, 42, 44 seitlich (bis auf die Umlenkabschnitte 41, 43) von den im Wesentlichen radial verlaufenden Trennwandabschnitten 13, 14 der Trennwandanordnung 5 begrenzt, die sich zwischen dem druckseitigen Wandabschnitt 10 und dem saugseitigen Wandabschnitt 11 des Schaufelblatts 12 erstrecken, wie aus Fig. 1 ersichtlich.
  • Entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausbildung der Kühlkanalanordnung 4 ist der U-förmige, erste Umlenkabschnitt 41 mit seinem gebogenen U-Steg und den daran anschließenden, in die betreffenden Kanalabschnitte 40, 42 übergehenden Schenkeln weiter aufgespannt als der vorliegend zentralseitig liegende U-förmige zweite Umlenkabschnitt 43, der ebenfalls einen einen Bogen durchlaufenden U-Steg und daran anschließende, in die betreffenden Kanalabschnitte 42, 44 übergehende U-Schenkel aufweist. Der innere bzw. mittlere Kanalabschnitt 44 ist an seinem stromabseitig liegenden Endbereich über einen Verbindungsbereich 45 mit der konkaven Innenseite des ersten Umlenkabschnitts 41 fluidleitend (über die gebildete Öffnung) verbunden. Dabei ist in diesem Verbindungsbereich des ersten Umlenkabschnitts 41 durch Formung des Strömungskanals bzw. Strömungsquerschnitts in diesem Bereich (bezüglich eines Betriebszustands) eine Zone ähnlichen, vorzugsweise niedrigeren Fluiddrucks erzeugt als in dem stromabliegenden Endbereich des inneren Kanalabschnitts 44. Demzufolge wird zwischen dem inneren Kanalabschnitt 44 und dem ersten Umlenkbereich 41 und damit dem in Strömungsrichtung anschließenden Bereich des Kühlkanals eine sich vorzugsweise kontinuierlich fortsetzende Strömung des Kühlfluids in dem Kühlkanal bewirkt. Diese Maßnahmen tragen wesentlich zu einer effizienten, weitgehend ausgeglichenen Kühlung der Turbinenschaufel 1 bei.
  • Zur Unterstützung einer ausgewogenen Kühlung der Turbinenschaufel 1 ist der Kühlkanal in seinem Innern entlang der Innenwandfläche mit einer als Turbulatoren ausgebildeten Hindernisstruktur 7 versehen, durch die eine Verwirbelung in der Kühlfluidströmung bewirkt und die Wärmeübertragung in betreffenden Zonen vergleichmäßigt wird. Zudem sind für eine effektive Kühlung insbesondere des druckseitigen Wandabschnitts 10 und des saugseitigen Wandabschnitts 11 zwischen diesen Wandabschnitten und der Kühlkanalanordnung 4 zumindest bereichsweise Filmkühllöcher 6 vorhanden, durch die die Kühlung der betreffenden Außenwandabschnitte bzw. Außenoberfläche des Schaufelblatts 12 unterstützt wird. Neben dem beschriebenen Kühlkanal kann die Kühlkanalanordnung 4 weitere Kühlkanäle aufweisen.
  • Die Ausbildung der Turbinenschaufel 1 mit der so in dem Schaufelblatt 12 angeordneten Kühlkanalanordnung 4, die den Verbindungsbereich 45 zwischen dem Endbereich des inneren Kanalabschnitts 44 und dem ersten Umlenkabschnitt 41 aufweist, ergibt neben den genannten funktionellen Vorteilen bei der Kühlung auch eine Vereinfachung in der Fertigung mittels des Feingussverfahrens, da zur Stabilisierung des Formkerns im Verbindungsbereich 45 zwischen dem Endbereich des inneren Kanalabschnitts 44 und dem ersten Umlenkabschnitt 41 lediglich ein Kernfortsatz 3 zur Anwendung kommen kann, wodurch eine aufwendige Ausbildung einer Kernfortsatzanordnung zur Stabilisierung entfällt.

Claims (8)

  1. Turbinenschaufel (1), insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem einen druckseitigen Wandabschnitt (10) und einen saugseitigen Wandabschnitt (11) aufweisenden, sich bezüglich eines Einbauzustands radial und in axialer Anstellung von einer Anströmflanke (15) zu einer Abströmflanke (16) erstreckenden Schaufelblatt (12), in dem eine Kühlkanalanordnung (4) mit mindestens einem Kühlkanal ausgebildet ist, welcher einen zumindest überwiegend radial, nahe der Anströmflanke verlaufenden, anströmseitigen Kanalabschnitt (40), einen zumindest überwiegend radial, nahe der Saugflanke verlaufenden abströmseitigen Kanalabschnitt (42) und einen zwischen diesen liegenden, zumindest überwiegend radial gerichteten inneren Kanalabschnitt (44) sowie einen diese Kanalabschnitte verbindenden ersten und zweiten Umlenkabschnitt (41, 43) aufweist, wobei bezüglich eines im Kühlbetrieb durch die Kühlkanalanordnung (4) geführten Kühlfluids der anströmseitige Kanalabschnitt (40) oder der abströmseitige Kanalabschnitt (42) den eingangsseitigen Kanalabschnitt bildet,
    dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kanalabschnitt (44) in Strömungsrichtung des Kühlfluids stromab des anströmseitigen Kanalabschnitts (40) und des abströmseitigen Kanalabschnitts (42) angeordnet ist.
  2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kanalabschnitt (44) an seinem stromab liegenden Ende in einem Verbindungsbereich (45) über eine Durchlassöffnung fluidleitend mit einem Bereich gleichen oder niedrigeren Kühlfluiddrucks, der in dem den anströmseitigen Kanalabschnitt (40) und den abströmseitigen Kanalabschnitt (42) verbindenden ersten Umlenkabschnitt (41) erzeugt ist, verbunden ist.
  3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste und der zweite Umlenkabschnitt (41, 43) U-förmig mit zwei in die betreffenden beiden der Kanalabschnitte (40, 42, 44) übergehenden U-Schenkeln und einem gebogenen, einen konkaven Krümmungsbereich umfassenden U-Steg ausgebildet sind und
    dass der Verbindungsbereich (45) in dem konkaven Krümmungsbereich des U-Stegs des ersten Umlenkabschnitts (41) stromaufseitig, mittig oder stromabseitig angeordnet ist.
  4. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der druckseitige und/oder saugseitige Wandabschnitt (10) mit Filmkühllöchern (6) versehen ist.
  5. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest ein Teilabschnitt des Kühlkanals mit einer Hindernisstruktur (7) zur Wirbelbildung im Strömungsverlauf des Kühlfluids versehen ist.
  6. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strömungsquerschnitte in Querschnittsfläche und/oder Kontur hinsichtlich einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über den druckseitigen Wandabschnitt (10) und saugseitigen Wandabschnitt (11) gestaltet sind.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Feingussverfahren mit die Kühlkanalanordnung (4) im weiteren Fertigungsprozess bildendem Formkern angewendet wird, der im radial außen liegenden Bereich der Kühlkanalanordnung (4) mittels einer radial nach außen gerichteten Kernfortsatzanordnung (3) fixiert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kernfortsatzanordnung (3) in dem radial außen liegenden Bereich des den anströmseitigen und den abströmseitigen Kanalabschnitt (40, 42) verbindenden ersten Umlenkabschnitts (41) mittels nur einen Kernfortsatzes (3) gebildet wird.
  8. Hochdruckturbine für ein Triebwerk, die Turbinenschaufeln (1) des Aufbaus nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1416201U (de) * 1937-07-06 1937-09-11 Deutsche Eisenwerke A.G. Kokille zum Gießen von Hohlkörpern
DE1135158B (de) * 1958-03-28 1962-08-23 Jean Mercier Verfahren und Form zum Verpressen von Werkstoff
DE69105837T2 (de) 1990-07-03 1995-04-27 Rolls Royce Plc Gekühlte Turbinenschaufel.
EP1063388B1 (de) * 1999-06-23 2005-12-28 United Technologies Corporation Methode zur Kühlung einer Wand einer Strömungsmaschinenschaufel
DE60028529T2 (de) 2000-02-18 2006-12-28 General Electric Co. Keramische Turbinenschaufeln mit gekühlter Abströmkante
US7600973B2 (en) 2005-11-18 2009-10-13 Rolls-Royce Plc Blades for gas turbine engines
US7967563B1 (en) 2007-11-19 2011-06-28 Florida Turbine Technologies, Inc. Turbine blade with tip section cooling channel
US8182224B1 (en) * 2009-02-17 2012-05-22 Florida Turbine Technologies, Inc. Turbine blade having a row of spanwise nearwall serpentine cooling circuits
KR101513474B1 (ko) 2013-02-27 2015-04-23 두산중공업 주식회사 터빈 블레이드
US9518468B2 (en) 2011-02-17 2016-12-13 Rolls-Royce Plc Cooled component for the turbine of a gas turbine engine
US20190145266A1 (en) * 2017-11-13 2019-05-16 Honeywell International Inc. Gas turbine engines with improved airfoil dust removal
EP3306036B1 (de) * 2016-10-04 2021-02-17 Honeywell International Inc. Turbinenschaufel mit einem kühlkanal und einer strömungsblende

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6517312B1 (en) 2000-03-23 2003-02-11 General Electric Company Turbine stator vane segment having internal cooling circuits

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1416201U (de) * 1937-07-06 1937-09-11 Deutsche Eisenwerke A.G. Kokille zum Gießen von Hohlkörpern
DE1135158B (de) * 1958-03-28 1962-08-23 Jean Mercier Verfahren und Form zum Verpressen von Werkstoff
DE69105837T2 (de) 1990-07-03 1995-04-27 Rolls Royce Plc Gekühlte Turbinenschaufel.
EP1063388B1 (de) * 1999-06-23 2005-12-28 United Technologies Corporation Methode zur Kühlung einer Wand einer Strömungsmaschinenschaufel
DE60028529T2 (de) 2000-02-18 2006-12-28 General Electric Co. Keramische Turbinenschaufeln mit gekühlter Abströmkante
US7600973B2 (en) 2005-11-18 2009-10-13 Rolls-Royce Plc Blades for gas turbine engines
US7967563B1 (en) 2007-11-19 2011-06-28 Florida Turbine Technologies, Inc. Turbine blade with tip section cooling channel
US8182224B1 (en) * 2009-02-17 2012-05-22 Florida Turbine Technologies, Inc. Turbine blade having a row of spanwise nearwall serpentine cooling circuits
US9518468B2 (en) 2011-02-17 2016-12-13 Rolls-Royce Plc Cooled component for the turbine of a gas turbine engine
KR101513474B1 (ko) 2013-02-27 2015-04-23 두산중공업 주식회사 터빈 블레이드
EP3306036B1 (de) * 2016-10-04 2021-02-17 Honeywell International Inc. Turbinenschaufel mit einem kühlkanal und einer strömungsblende
US20190145266A1 (en) * 2017-11-13 2019-05-16 Honeywell International Inc. Gas turbine engines with improved airfoil dust removal

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