WO2001036791A1 - Turbine blade and method for production thereof - Google Patents

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WO2001036791A1
WO2001036791A1 PCT/EP2000/010947 EP0010947W WO0136791A1 WO 2001036791 A1 WO2001036791 A1 WO 2001036791A1 EP 0010947 W EP0010947 W EP 0010947W WO 0136791 A1 WO0136791 A1 WO 0136791A1
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WO
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wall
turbine blade
cooling
blade according
cooling fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2000/010947
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German (de)
French (fr)
Inventor
Roland Liebe
Harald HÖLL
Günther WALZ
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2001036791A1 publication Critical patent/WO2001036791A1/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade, in particular a gas turbine blade, which has an outer wall against which a hot action fluid flows, which surrounds a possibly multi-part cavity through which a cooling fluid flows, the outer wall having a cross-section through the blade area of the blade area Turbine blade is of different thickness, and a method for producing a cast turbine blade, in particular gas turbine blade, according to the preamble of claim 27.
  • the action fluid is heated to a high temperature.
  • the guide vanes and rotor blades that are first flowed onto by the hot action fluid are therefore internally cooled to avoid damage, in particular by flowing through a cooling fluid, for example a cooling gas or a slightly overheated cooling steam.
  • US Pat. No. 5,320,483 discloses how the cooling fluid in the form of cow vapor is introduced into the turbine blade in a closed circuit and is led out again after flowing through an internal cavity of the turbine blade which is equipped with different flow chambers and inner walls.
  • the cavity is surrounded by the outer wall of the turbine blade, which is flowed against by the hot action fluid of the turbine.
  • the outer wall has a substantially constant thickness by viewing a cross section through the airfoil area.
  • the object of the present invention is to provide an internally cooled turbine blade with the above-mentioned features, which has a longer service life than conventional turbine blades, even under very high loads, can be produced with little effort, and high performance and efficiency at low levels in a turbine NOx emissions and, as a sub-task, a suitable manufacturing process.
  • the object directed to the turbine blade is achieved in that the thickness of the outer wall, at least over a partial circumference of the airfoil region, is such that predetermined ones occur in accordance with the course of the external heat transfer number on the outside of the outer wall and the course of the internal heat transfer number on the inside of the outer wall Temperature threshold values on the outer wall and / or predetermined temperature gradients between predetermined locations on the outer wall are not exceeded.
  • the hot action fluid does not flow around the outer wall of the turbine blade equally quickly and equally everywhere, which leads to locally different heat input or heat transfer action fluid / outer wall.
  • the external heat transfer coefficient is a measure of this heat transfer.
  • a heat transfer number indicates the amount of heat that is transferred per unit of time and area. The higher the heat transfer number, the greater the heat transfer of the heat introduced into the material, for example by convection or radiation.
  • the cooling requirement increases at this point on the airfoil.
  • This locally increased cooling requirement is met according to the invention in that the thickness of the metal wall and thus the outer wall is reduced at points with a high external heat transfer number. This results from the inclusion of the solution of an equation system that describes the heat transfer within the different areas of the turbine airfoil.
  • the heat transfer comprises the heat transfer from the hot action fluid to the outside of the outer wall and from the inside of the outer wall to the cooling fluid. Furthermore, the heat conduction within the outer wall is described in the system of equations. A thinner outer wall increases the heat conduction.
  • the temperature threshold values and the temperature gradients are set as boundary conditions for the solution of the system of equations. They are characteristic of the outer wall and essentially represent an upper limit for the action fluid temperatures. Compliance with these values ensures that no temperatures are exceeded on the blade which could lead to local damage and ultimately to the early failure of the turbine blade.
  • the temperature threshold generally corresponds to an oxidation limit of the outer wall material, the temperature gradient is a measure of the thermal stresses that arise between two points of the outer wall due to different temperatures. To ensure a long lifespan for the turbine blade, it must not exceed a critical value that depends on the material, the composition of all the voltages involved and the operating load spectrum.
  • the outer wall can be made even thicker, which increases stability. Due to the individually adapted cooling effect achieved by adjusting the outer wall thickness, it is possible to dispense with complicated channels within the cavity. This simplifies the manufacture of the Turbmenschaufei and lowers the costs. In addition, the required cooling fluid mass flow is reduced by the adapted cooling, which improves the efficiency and the performance of the turbine.
  • the outer wall has a multilayer structure and has a thin ceramic protective layer on the outside of the outer wall and a metal wall on the inside and that the temperature gradient that is present between the outside and the inside of the metal wall is decisive. Due to the multi-layer structure, the outer wall can fulfill various tasks and requirements with a suitable choice of layers.
  • the metal wall in particular made of a high-temperature metal alloy, ensures sufficient mechanical strength and good thermal elasticity, which is necessary due to the changing mechanical loads and temperatures.
  • a ceramic protective layer protects the metal wall from excessive temperature loads and prevents oxidation or corrosion.
  • the protective layer is intended, inter alia, to prevent the highest temperature caused by the inflow of hot action fluid on the outer wall of the blade from exceeding a material-specific maximum value or from an established temperature turgradient between the outside of the outer wall and the inside of the outer wall exceeds a certain critical value.
  • Usual high-performance blades depend on sufficiently thick ceramic protective layers for thermal insulation so that temperature and voltage limits can be maintained. Due to the high loads during the operation of the turbine, in particular due to rapid temperature changes or large voltage differences between different areas of the outer wall and due to the lattice parameter differences already existing in the cold state between the ceramic protective layer and the metal wall and different coefficients of thermal expansion, ceramic thermal insulation layers burst prematurely from the metal wall from. This is followed by a failure of the blade.
  • the thickness of the metal wall is set in accordance with the heat transfer coefficients and the temperature threshold and the temperature gradient between the outside and the inside of the metal wall do not exceed predetermined values. These values are designed according to the corresponding requirements of the protective layer or the boundary layer between the protective layer and the metal wall. It is therefore sufficient to apply a much thinner protective layer to the metal wall than conventional protective layer thicknesses.
  • the thinner layer also improves the adhesion of the protective layer to the blade surface and prevents local flaking, because the different thermal expansions of the materials no longer have such an impact due to the small layer thickness.
  • this thin layer is much easier to apply, among other things because it has to meet less stringent homogeneity requirements. This reduces the manufacturing costs and at the same time increases the lifespan of the blade.
  • the temperature threshold value on the entire outer wall and / or predetermined temperature gradients over the entire outer wall are not exceeded, particularly good values are conditions for a low thermal or stress load of a turbine blade. This is particularly important with coated turbo showers. Due to a more uniform, lower temperature of the outer wall due to the setting of the thickness of the outer wall according to the invention, good adhesion of the ceramic protective layer to the metal wall is ensured without further manufacturing measures having to be taken or the hot gas temperature having to be reduced, which would reduce the efficiency.
  • a possible protective layer essentially still serves to prevent corrosion or oxidation attacks and can thus be at least thinner than conventional ceramic protective layers. This reduces the manufacturing costs and increases the lifespan of the blade.
  • the outer wall is single-layer and consists of metal.
  • the metal is still stable even at relatively high temperatures and at the same time dissipates the heat well, so that the temperature threshold values and the temperature gradients can be maintained by the cooling inside and the adapted thicknesses of the outer wall.
  • the ribs of the field have dimensions, distances and spatial arrangements predetermined in accordance with the thickness of the outer wall, the temperature threshold and / or the temperature gradient and / or the Mises reference stress.
  • the thermal stresses are essentially limited by adhering to the predetermined temperature gradient by adjusting the thickness of the metal wall and thus the outer wall.
  • the primary tension is limited by the rib thickness fields on the inside of the outer wall, which are dependent on the wall thickness. If predetermined distances between the ribs are observed, an optimal cooling effect can be achieved on the one hand, but at the same time, however, an optimal stability of the material can be achieved.
  • Other parameters are the height and width of the ribs, as well as their spatial arrangement. By a certain arrangement of ribs in ribbed fields it is possible to produce thin and at the same time durable outer walls for optimal thermal wall design with or without ceramic protective layers. As a rule, these measures can be used for both guide and moving displays.
  • the turbulence of the cooling fluid is increased, which improves the cooling effect without the need to use additional turbulators. Due to the rib fields arranged transversely to the direction of flow of the cooling fluid, a desired higher cooling effect is achieved especially in the areas with thin wall thickness where a higher internal heat transfer number is required. In order to achieve the desired swirling, care must be taken that the ribs are neither too narrow nor too far apart, because otherwise either insufficient swirling or insufficient stability will be achieved.
  • the cooling fluid becomes more turbulent as it flows through the interior. This in turn improves the cooling effect.
  • the openings are designed so that they do not affect the stability of the ribs.
  • the cavity is traversed by inner walls from the pressure side to the suction side in the longitudinal direction of the turbine blade, the inner walls being connected to the pressure-side or suction-side outer wall with a continuous course to the continuous course of the thickness of the outer wall.
  • the division of the cavity from the pressure side to the suction side ensures that the stability of the turbine blade is maintained or improved.
  • the cavity is divided into several chambers.
  • the shape and number of the inner walls used for this purpose are chosen depending on the type of cooling and cooling fluid properties so that the cavity is as simple as possible. consulted. This means that an inexpensive, conventional investment casting technique can be used.
  • the inner walls are connected to the pressure-side or suction-side outer wall with a continuous course to the continuous course of the thickness of the outer wall, stress peaks in the outer wall are reduced.
  • the inner walls reinforce the outer wall areas and thus absorb tensions caused by a changing thickness and different temperatures in the outer wall and thus different heat transport.
  • the efficiency of the turbine is hardly or only minimally reduced by the cooling fluid if the cooling fluid is passed through the turbine blade in a closed circuit.
  • the guidance in a circuit can also comprise further turbine blades, whereby additional cooling fluid is saved. Because no cooling mixture is created by the cooling fluid exiting the action fluid, the efficiency and thus the performance of the turbine are retained. No cooling fluid is consumed, which reduces the operating costs of the
  • Turbine lowers.
  • the heat absorbed by the cooling fluid within the turbine blade can largely be reused. This improves energy utilization and increases efficiency.
  • An advantageous spatial arrangement of the cavity of the turbine blade is supported in that the inlet and the outlet of the cooling fluid are arranged in the foot area.
  • the cooling fluid is then directed from the foot area to the various other cooling areas.
  • the foot area is more easily accessible for cooling fluid supply lines.
  • the cooling fluid is used economically in that the top and bottom region of the turbine blade is cooled at the same time as the cooling fluid of the airfoil region. This simplifies the structure of the head, foot and blade area and in particular the transitions between the areas.
  • the turbine blade is a moving blade and the wall thickness of cooling chambers in the cavity varies locally in accordance with a local heat transfer number. Due to the rotating movement of the rotor blade, the cooling fluid is pressed more strongly against the inner walls or against the outer walls in some areas of the cooling chambers. This causes an inhomogeneous internal heat transfer coefficient. This is compensated for by the change in the wall thicknesses of the inner walls or the outer wall according to the invention. By adjusting the wall thicknesses, only the quantity of material that is absolutely necessary is used and, at the same time, a more precisely adapted coolant consumption is achieved. This increases the efficiency of the turbine and at the same time ensures sufficient cooling in all areas of the Scahuefl.
  • central cooling chambers which are flowed through in series by the cooling fluid.
  • the central cooling ducts are located in the areas of the turbine blade that are most heavily loaded with high heat input. They therefore carry a large proportion of the heat registered.
  • the serial flow ensures a long, meandering path of the cooling fluid through the turbine blade and thus a good utilization of the heat capacity of the cooling fluid. In particular at deflection points, the cooling fluid is strongly swirled and the cooling effect is thus improved. The amount of cooling fluid required is reduced.
  • a rapid flow of the cooling fluid and thus an improved heat removal is provided in that central cooling chambers formed by inner walls are provided in the central region of the airfoil region and the cooling fluid flows through them in parallel. At the same time, this simplifies the construction of the cavity in which the cooling chambers are located, thus making it possible to cast with less scrap during manufacture.
  • the flow rate of the cooling fluid shortly before the impact on the outer wall is increased if at least one of the central cooling chambers has an impact cooling insert with outward directed impingement cooling bores, which are arranged at a distance from the inside of the outer wall and through which the cooling fluid flows.
  • the cooling effect is significantly improved by the increased flow rate of the cooling fluid hitting the inside of the outer wall. This makes it possible to achieve a good cooling effect even by means of a coolant with low pressure without stressing the outer wall due to high primary stresses due to the internal pressure.
  • baffle insert A simple, safe and inexpensive way of holding the baffle insert is provided if the baffle insert is held by on the inside of the outer wall and / or by spacers attached to the inside wall and / or by ribs.
  • a further improvement of the cooling is given by the fact that additional cooling is provided on the rear edge of the turbine blade. This is particularly advantageous because the outer walls converge more closely there, and a connection to the other cooling chambers is therefore often difficult. In particular, it is a separate, closed steam cooling.
  • the cooling fluid is steam.
  • the scarce compressor air required for low pollutant emissions during pulsation-free operation does not have to be used. Closed air cooling requires a lot of air and causes high pressure drops.
  • steam is used as the cooling fluid, internal heat transfer numbers 1.5 to three times higher than that of air can be achieved.
  • the use of steam thus enables the turbine to be operated with a hotter action fluid, which in turn increases efficiency.
  • cooling air is introduced into the action fluid, there are high efficiency losses.
  • cow steam makes it possible to make the turbine blade outer wall thicker, which increases the stability of the blade and reduces the demands on the fin fields. Solutions without rib fields are also possible.
  • cow steam has a higher heat capacity than air, which leads to improved heat removal from the turbine blade.
  • This low pressure steam is characterized by an inlet pressure of 15 bar or an inlet temperature of approximately 250 ° C. Due to the low pressure, the load on the outer wall due to primary stresses caused by internal pressure is reduced and there are fewer ribs to stabilize the Outside wall needed.
  • the interior can, for example, be designed such that two cooling chambers formed by an inner wall have cooling fluid flowing through them in series.
  • impingement cooling bores accelerates the local cow steam considerably and thus increases its cooling effect. Acceleration takes place through the baffle cooling holes on the inside of the outer wall, thus increasing the internal heat transfer rate.
  • the steam has particularly good cow properties when it is a medium pressure steam.
  • Medium pressure steam is characterized by inlet data of approximately 30 bar pressure and 350 ° C inlet temperature.
  • the medium-pressure steam is directly available in modern combined cycle power plants and does not have to be additionally provided with loss of energy.
  • the higher steam pressure results in higher heat transfer numbers and better heat transport compared to low-pressure steam.
  • the wall thickness of the turbine blade can thus be made thicker, which increases the stability of the turbine blade and the wall is better able to withstand the primary stresses increased by the high pressure of the medium-pressure steam.
  • the cavity has only cooling chambers when using a medium-pressure cooling steam. Baffle inserts can be dispensed with. This simplifies production and reduces costs.
  • the outer contour of the turbine blade advantageously corresponds to the shape of an aerodynamically predetermined shape
  • the thickness of the outer wall towards the cavity varies.
  • the shape thus has the advantage of maintaining the temperature threshold values on and at the same time does not deviate from its outer shape from the usual profiles, so that the turbine blade can be used in conventional turbines and has the already known flow properties.
  • the sub-task relating to the manufacturing process is solved in that the casting mold is arranged in such a way that the profile profile of the outer contour of the casting core is the difference between an aerodynamically predetermined, in particular the external profile profile of a turbine airfoil and one
  • the outer profile profile corresponds to a standardized profile profile.
  • the outer curvature or geometry of which can be changed relative to a surrounding casting mold or outer contour with the variable thickness of the outer wall and possibly with the geometries of the associated rib fields.
  • This cast core is compact, has an easy-to-manufacture shape that can be easily supported and is not subject to excessively tight tolerance requirements. This means that conventional investment casting processes as well as processes with directional solidification or single crystal solidification can be carried out at no additional cost.
  • the turbine blade can be cast in one piece in its blade area. The waste in casting is reduced by the simple shape. Due to the outer curvatures, the outer wall of the cast product of the turbine blade is made of different thicknesses, with essentially no post-processing being necessary. By simply taking the different thickness trained outer walls, temperature limit values can be maintained without the need for complex coatings which also easily flake off again.
  • FIG. 1 shows a cross section through a low-pressure steam-cooled turbine guide vane with a varying outer wall thickness
  • Fig.2 is a schematic enlarged detail of the outer wall to show the heat transfer mechanism in the
  • FIG. 3 shows a schematic section through an airfoil area and a foot area of a low-pressure steam-cooled turbine guide vane from FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a flow diagram of the cow vapor through a low-pressure steam-cooled turbine guide vane in the longitudinal section of FIG. 1
  • FIG. 5 shows a section through a fin field
  • FIG. 6 transverse openings of the fins
  • FIG. 8 shows a schematic section through an airfoil area and a foot area of a medium-pressure steam-cooled turbine guide vane from FIG. 7,
  • FIG. 9 shows a flow diagram of the cooling steam of a low-pressure steam-cooled turbine guide vane in the longitudinal section of FIG. 7, 10 shows a flow diagram with flow resistances of the blade, FIG. 11 shows a schematic section through a medium-pressure steam-cooled turbine guide blade and
  • FIG. 12 shows a flow diagram of the turbine guide vane from FIG. 11.
  • a hot action fluid 2 in particular a hot gas, flows against the turbine vane 1 on the outer side 9 of the outer wall 4.
  • the turbine blade 1 in its interior, generally multi-part cavity 5, which is surrounded by the outer wall 4 flows through a cow vapor 6, namely a low pressure cow vapor.
  • the cavity 5 is traversed in the longitudinal direction of the turbine blade 1 by inner walls 20, which traverse the blade profile in the direction from the pressure side 46 to the suction side 45 in such a way that several central cooling chambers 21 are created, in this case two, the inner walls 20 being connected to the pressure side or suction-side outer wall 4 are continuously connected to the continuous course of the thickness 34 of the outer wall 4.
  • the central cooling chambers 21 have baffle insert 22, the walls of which are pierced by a large number of small baffle bores 23. The low-pressure cow steam is pressed through the impingement cooling holes 23 and onto the inside 13 of the
  • the outer wall 4 is optionally constructed in multiple layers and has a metal wall 3, if necessary a ceramic protective layer 15 on the outside and an aluminum alloy layer 54 on the inside, as shown in FIG.
  • the metal wall 3 has a cross section through the blade sheet area 7 different thicknesses 8.
  • the thickness 8 of the metal wall 3 varies continuously, ie without cracks or continuously in order not to cause stress peaks, in accordance with the external heat transfer coefficient W ex on the outside 9 of the outer wall 4.
  • the thickness 33 of the ceramic protective layer 15 is approximately constant.
  • the thickness 34 of the outer wall 4 thus also varies with the thickness 8 of the metal wall 3.
  • the external heat transfer number W ex is given by the size of the heat transfer from the hot gas 2 into the outer wall 4.
  • the principle of heat transfer through the outer wall 4 is illustrated in Fig.2.
  • the external heat transfer takes place with a locally different size, indicated by the external heat transfer number W ex , to which the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 is adapted.
  • the thickness 34 of the outer wall 4 or the thickness 8 of the metal wall 3 is also set according to the invention in accordance with the internal heat transfer number W ⁇ nt on the inside 13 of the outer wall 4.
  • the type and the physical parameters of the cooling fluid 6 have a decisive influence on the internal heat transfer number W ⁇ nt .
  • the internal heat transfer number W ⁇ nt can also be changed by the construction of the cavity 5 on the inside 13 of the outer wall 4, for example by means of ribs 16.
  • the cavity 5 has ribs 16 in the areas 14 of the outer wall 4 which are particularly thin or which are subjected to particularly heavy loads and therefore have to be stabilized. Ribs 16 are mounted, for example, on both inner sides 13 of the outer wall 4 of a central cooling chamber 21 provided with impingement cooling inserts 22, running transverse to the flow 18 of the cooling fluid 6.
  • the middle center cooling chamber 21 has only ribs 16 on the inside 13 of the outer wall 4 on the suction side 45 of the turbine guide vane 1, on the other hand only spacers 44 on the pressure side 46, which the
  • baffle insert 22 Hold the baffle insert 22 in position. On some of the ribs 16 there are also spacers 44 for positioning the baffle insert 22.
  • the ribs 16 have predetermined dimensions, such as the thickness 37, the height 41, their base radius 39, their head radius 40, their load-bearing width 38 and spatial arrangements which are particularly suitable for contributing to the swirling of the cooling fluid flow 18 or a sufficient cooling surface on the To deliver inside 13 of the outer wall 4.
  • a representation can be found in FIGS. 5 and 6, respectively.
  • a good swirl is given in particular when the ribs 16, which are arranged in rib fields, lie transversely to the direction of flow 18 of the cooling fluid 6.
  • the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 ranges from approximately 0.6 mm to 1.0 mm in the rear edge region 36 to approximately 2 mm in the pressure region 46.
  • the changes between the individual thickness regions caused by inner walls 20 are delimited, have continuous transitions 10 to reduce voltage peaks, calculated for example by means of a linear interpolation between the different target thicknesses.
  • the outer wall 4 of the thickness 34 is constructed in several layers. It has an external ceramic protective layer 15 with a thickness of 33 and a load-bearing metal wall 3 with a thickness of 8.
  • An aluminization layer 54 against corrosion is optionally provided in the cavity 5 and in particular on the inside 13 of the outer wall 4.
  • the coating 54 can be made very thin. If the coating 54 is not applied, the inside 13 of the outer wall 4 is identical to the inside 12 of the metal wall.
  • the hot action fluid 2 flowing on the outside has a temperature T which is higher than that of the outer wall 4.
  • Page 9 of the ceramic protective layer 15 there is heat transfer to the outer wall 4.
  • the external heat transfer is characterized by the external heat transfer number W ex , the size of which indicates how strongly heat transfers to the outer wall 4.
  • the local heat transfer between the action fluid 2 and the outer wall 4 has different external heat transfer coefficients W ex for different outer wall sections 14 of the airfoil area 7 of the turbine blade 1 and thus different thicknesses 8 of the metal wall 3.
  • the temperature profile T at the transition from the inside 35 has ceramic protective layer 15 on the outside 11 of the metal wall 3 eme discontinuity.
  • the heat emerges from the outside wall 4, which is described by the internal heat transfer coefficient W ⁇ nt .
  • the cooling fluid 6 flowing past takes the heat with it.
  • the temperature curve T shows a sharp drop in this area.
  • a temperature threshold value T M is defined which is characteristic of the temperature resistance of the outer wall material, inter alia for the adhesive quality of the ceramic protective layer 15 on the metal wall 3.
  • the thickness 8 of the metal wall 3 By setting the thickness 8 of the metal wall 3 according to the invention, it is achieved that at least at predetermined locations on the outer wall 4, predetermined temperature Threshold values T M and / or predetermined temperature gradients ⁇ T M between the outer side 11 of the metal wall 3 and the inner side 12 of the metal wall 3, that is to say predetermined locations of the outer wall 4, are not exceeded. This ensures that the outer wall 4 of the turbine blade 1 is not excessively loaded, the ceramic protective layer 15 adheres better to the metal wall 3, no oxidation occurs and thus a permanent use of the turbine blade 1 is possible.
  • the predetermined temperature threshold value T M is approximately 930 ° C to 950 ° C and the predetermined temperature gradient ⁇ T M at approximately 200 to 220 ° C or at approximately 260 to 290 ° C above the metal wall thickness 8.
  • FIG. 3 shows a plan view of the foot region 26 of a turbine blade in accordance with FIG. 1.
  • the foot region 26 has an inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.
  • the position of the airfoil area 7 relative to the foot area 26 of the turbine blade 1 is indicated schematically.
  • the cooling fluid 6 flows through the turbine blade 1 in central cooling chambers 21 with impingement cooling elements 22 and convectively in front cooling chambers 31 in the leading edge region 32.
  • On the rear edge 36 of the turbine blade 1 there is provided an additional cooling 56, which is preferably a separate, closed steam cooling.
  • FIG 4 shows a side view with a flow diagram of the cooling fluid 6.
  • the cooling fluid 6 flows in a branched cooling fluid partial flow 47 through the rear edge region 36 of the turbine blade 1.
  • Another branched cooling fluid partial flow 48 flows through a front cooling chamber 31 in the leading edge area 32.
  • the cooling fluid 6 flows through the head area 25 of the turbine blade 1. Thereupon, it first flows through the the front cooling chamber 31 located on the suction side 45 and, after a diversion, the adjacent front cooling chamber 31 lying on the pressure side up to the outlet 28 in the foot region 26.
  • Another cooling fluid partial flow 49 branched off from the supplied cooling fluid 6, flows through a first central cooling chamber 21 which has an impact cooling insert 22. After passing through the head region 25, the cooling fluid 6 flows serially through the second cooling chamber 21, which also has an impact cooling insert 22, in the opposite direction to the first. After reaching the root region 26 of the turbine blade 1, the various streams are brought together and released from the turbine blade 1 through the outlet 28.
  • the cooling fluid 6 is also used to flow through the airfoil region 7 and the head region 25 and the foot region 26. Only a single closed circuit for the cooling fluid 6 is necessary, which simplifies handling and reduces the manufacturing costs.
  • the head area 25 and the foot area 26 are simple
  • baffle insert 22 can be accommodated in the head 25 and foot region 26, which is not shown.
  • FIG. 5 shows, in an enlarged section, schematically ribs 16 which are used to reinforce the thinned areas of the outer wall 4.
  • the ribs 16 from FIG. 1 are viewed in the transverse direction, so that only ribs 16 are visible transversely to the flow direction of the cooling fluid 6.
  • Cross rib openings 19 of predetermined dimensions and spacings are provided along a rib 16, as shown in FIGS. 1 and 7. They serve for the cross exchange and the additional swirling of the cooling fluid 6, as a result of which the cooling effect of the cooling fluid 6 is improved.
  • the height 42 of the cross rib openings 19 and their distance 52 from the head 50 of the rib 16, see can be varied. 6, as well as the spacing 43 of the rib cross openings 19.
  • the dimensions, spacings and spatial arrangements mentioned above can be changed within certain limits.
  • the limits are determined on the one hand by the fact that good cooling must be obtained, and on the other hand there should be sufficient stability of the outer wall 4 which is locally formed with a small thickness in accordance with the heat transfer numbers. For the latter, it is necessary to arrange the fins 16 closer, on the other hand they must not be too narrow, so that the cooling fluid 6 is not only flowed over them and may not be swirled.
  • the height 41 of the ribs 16 is approximately one to two times the outer wall thickness 34.
  • the load-bearing width 38 of the ribs 16 is approximately four times the thickness 34 of the outer wall 4. In the areas of the leading edge 32 there are preferably no ribs or conventional ones Turbulators as well as in the rear edge area 36.
  • FIG. 6 shows an exemplary arrangement of cross rib openings 19. They have an elongated oval shape. They effect a transverse exchange and swirling of the cooling fluids 6 flowing past, but they are arranged so spaced that they do not impair the stability of the ribs 16, which serve to stabilize the thin outer wall regions 14.
  • FIG. 7 shows a section through an airfoil area 7 of a medium-pressure-steam-cooled turbine guide vane 1 with a varying outer wall thickness 34.
  • the cavity 5 surrounded by the outer wall 4 has six cooling chambers 21, two front cooling chambers 31 in the area of the leading edge 32 and a rear cooling chamber 53 in the rear edge area 36
  • the six central cooling chambers 21 are separated from one another by inner walls 20. separates.
  • the central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections. According to a flow diagram shown in FIG. 3, the cow vapor 6 flows through them in series.
  • the wall thickness 8 of the metal wall 3 varies over the circumference from approximately 1 to 2.2 mm, according to the same principle as already described for the low-pressure steam-cooled turbine guide vane, ie to compensate for the heat transfer numbers W ex , W ⁇ nt that change over the cross section of the airfoil 7.
  • the transitions between areas 14 of different wall thicknesses 8 are each continuous, corresponding to areas 10, that is to say continuous, preferably linear or interpolated by means of other functions.
  • the turbine blade 1 has rib fields on the entire inside 13 of the outer wall 4, with the exception of the trailing edge region 36, which serve to support the thinned outer wall 4.
  • the medium pressure steam is almost twice as large as the low pressure steam (approximately 30 bar compared to approximately 15 bar).
  • the internal pressure load on the outer wall 4 is significantly stronger and additional rib fields are added.
  • the medium pressure steam ensured an improved heat removal and thus more favorable internal heat transition figures W ⁇ nt.
  • the ribs 16 in turn have predetermined distances and dimensions and are equipped with cross-flow openings 19.
  • the ribs 16 lie essentially transversely to the flow direction 18, which is parallel to the radial axis of the airfoil 7.
  • the cooling mass flow can be added or omitted
  • Current resistances 51 which are only indicated schematically in FIG. 4, are set such that a desired cooling current and an internal heat transfer or heat transfer number W ⁇ nt occurs, which is adapted to the varying wall thickness 34 of the outer wall 4.
  • 8 shows a plan view of a foot region 26 of a medium-pressure-steam-cooled turbine blade from FIG. 7 with an inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.
  • FIG. 9 shows a longitudinal section of a medium-pressure-steam-cooled turbine blade according to FIG. 7 with a foot region 26, an airfoil 7 and a head region 25 and a flow diagram of the medium-pressure cow steam.
  • the cooling medium 6 flows through the central cooling chambers 21 in series and the front 31 and the rear cooling chambers partially parallel.
  • the foot region 26 and the head region 25 are welded or soldered to the airfoil region 7. They are cooled by a closed circuit with the same cooling fluid 6 as the airfoil area 7. This reduces the amount of coolant required and simplifies the construction of the cavity 5 or the interior of the head and foot area 26.
  • FIG. 10 shows a schematic drawing of the coolant flow through a medium-pressure-steam-cooled turbine blade from FIG. 7.
  • Different flow resistors 51 can be placed in different cooling chambers 21 in the inlet area 27, so that the partial mass flows of the cooling fluid 6 can be adjusted.
  • An increased mass flow causes an increased cooling effect, but also increased pressure losses.
  • the cavity 5 has five partial cooling chambers 21, the front region 32 two front cooling chambers 31 and the rear region 36 a rear cooling chamber 53.
  • the central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections, the wall thickness 8 of the outer wall 4 is almost constant. Due to the sufficient stiffening by the inner walls 20, no ribs 16 are necessary.
  • FIG. 12 shows a flow diagram of the turbine blade from FIG. 11.

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Abstract

The aim of the invention is to produce a turbine blade (1), comprising an outer wall (4), surrounding a hollow cavity, through which a cooling fluid (6) flows and which has an increased life expectancy, even under heavy loading and is simple to produce. The aim of the invention is achieved, whereby the thickness (8) of the outer wall (4), at least over an extent of the blade leading-edge region (7), is such that, at least in pre-determined areas of the external wall (4), pre-determined temperature thresholds (TM) and/or pre-determined temperature gradients (ΔTM) are not exceeded.

Description

Turbmenschaufel sowie Verfahren zur Herstellung einer TurbinenschaufelTurbine blade and method for producing a turbine blade
Die Erfindung betrifft eme Turbmenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel , die e ne von einem heißen Aktionsfluid angeströmte Außenwand hat, die einen gegebenenfalls mehrteiligen Hohlraum umgibt, der von einem Kühlfluid durchströmt ist, wobei die Außenwand über den Umfang des Schaufelblattbe- reichs einem Querschnitt durch den Schaufelblattbereich der Turbmenschaufel unterschiedlich dick ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer gegossenen Turbmenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel, nach dem Oberbegriff von Anspruch 27.The invention relates to a turbine blade, in particular a gas turbine blade, which has an outer wall against which a hot action fluid flows, which surrounds a possibly multi-part cavity through which a cooling fluid flows, the outer wall having a cross-section through the blade area of the blade area Turbine blade is of different thickness, and a method for producing a cast turbine blade, in particular gas turbine blade, according to the preamble of claim 27.
Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade und Leistungen beim Betrieb einer mit einem Aktionsfluid, insbesondere einem heißen Gas, betriebenen Turbine, insbesondere einer Gasturbine, wird das Aktionsfluid auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Die vom heißen Aktionsfluid zuerst angeströmten Leit- und Laufschaufeln werden deshalb zur Vermeidung von Schädigungen intern gekühlt, insbesondere mittels Durchstromung eines Kuhlfluids, beispielsweise eines Kuhlgases oder eines leicht überhitzten Kuhldampfes .In order to achieve high levels of efficiency and performance when operating a turbine, in particular a gas turbine, which is operated with an action fluid, in particular a hot gas, the action fluid is heated to a high temperature. The guide vanes and rotor blades that are first flowed onto by the hot action fluid are therefore internally cooled to avoid damage, in particular by flowing through a cooling fluid, for example a cooling gas or a slightly overheated cooling steam.
US-Patent 5,320,483 offenbart, wie das Kühlfluid in Form von Kuhldampf in einem geschlossenen Kreislauf in die Turbinenschaufel eingeleitet wird und nach dem Durchströmen eines mit verschiedenen Stromungskammern und Innenwanden ausgestatte- ten, innenliegenden Hohlraums der Turbmenschaufel wieder herausgeführt wird. Der Hohlraum ist von der Außenwand der Turbinenschaufel umgeben, die von dem heißen Aktionsfluid der Turbine angeströmt ist. Die Außenwand weist eine im wesentlichen konstante Dicke über eine Betrachtung eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich auf. Trotz der Ausbildung von komplexen und recht aufwendig herzustellenden Kanälen und Turbulaturen innerhalb des Hohlraums der Turbinenschaufel ist es bei dieser Art der Ausbildung einer Turbinenschaufel jedoch nicht gewährleistet, daß die Kühlung überall homogen und dem erforderlichen Maße stattfindet, was die Lebensdauer der Schaufel stark herabsetzt.US Pat. No. 5,320,483 discloses how the cooling fluid in the form of cow vapor is introduced into the turbine blade in a closed circuit and is led out again after flowing through an internal cavity of the turbine blade which is equipped with different flow chambers and inner walls. The cavity is surrounded by the outer wall of the turbine blade, which is flowed against by the hot action fluid of the turbine. The outer wall has a substantially constant thickness by viewing a cross section through the airfoil area. Despite the formation of complex and quite complex to produce channels and turbulators within the cavity of the turbine blade With this type of construction of a turbine blade, however, it does not ensure that the cooling takes place everywhere homogeneously and to the required extent, which greatly reduces the lifespan of the blade.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine innengekuhlte Turbinenschaufel mit den oben genannten Merkmalen anzugeben, die eine gegenüber üblichen Turbmenschaufein verlängerte Lebensdauer auch unter sehr hohen Belastungen besitzt, mit ge- rmgem Aufwand herzustellen ist, sowie m einer Turbine hohe Leistungs- und Wirkungsgrade bei niedrigen NOx-Emissionen ermöglicht sowie - als Unteraufgabe - ein hierfür geeignetes Herstellungsverfahren.The object of the present invention is to provide an internally cooled turbine blade with the above-mentioned features, which has a longer service life than conventional turbine blades, even under very high loads, can be produced with little effort, and high performance and efficiency at low levels in a turbine NOx emissions and, as a sub-task, a suitable manufacturing process.
Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird dadurch gelost, daß die Dicke der Außenwand zumindest über einen Teilumfang des Schaufelblattbereichs nach Maßgabe des Verlaufs der externen Warmeubergangszahl an der Außenseite der Außenwand und des Verlaufs der internen Warmeubergangszahl an der Innenseite der Außenwand kontinuierlich so verlauft, daß vorbestimmte Temperaturschwellenwerte an der Außenwand und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten zwischen vorbestimmten Stellen der Außenwand nicht überschritten werden.The object directed to the turbine blade is achieved in that the thickness of the outer wall, at least over a partial circumference of the airfoil region, is such that predetermined ones occur in accordance with the course of the external heat transfer number on the outside of the outer wall and the course of the internal heat transfer number on the inside of the outer wall Temperature threshold values on the outer wall and / or predetermined temperature gradients between predetermined locations on the outer wall are not exceeded.
Die Außenwand der Turbinenschaufel wird durch das heiße Aktionsfluid nicht überall gleich schnell und gleich stark umströmt, was zu lokal stark unterschiedlichen Warmeeintragen beziehungsweise Wärmeübergängen Aktionsfluid/Außenwand fuhrt. Ein Maß für diesen Wärmeübergang ist die externe Warmeuber- gangszahl. Eine Warmeubergangszahl gibt die Wärmemenge an, die pro Zeit- und Flacheneinheit übergeht. Je hoher die Warmeubergangszahl, desto großer ist der Wärmeübergang der beispielsweise durch Konvektion oder Strahlung in das Material eingebrachten Warme. Mit einem erhöhten externen Warmeuber- gang steigt die Kuhlanforderung an dieser Stelle des Schaufelblatts. Dieser lokal erhöhten Kuhlanforderung wird erfindungsmaß dadurch begegnet, daß die Dicke der Metallwand und somit der Außenwand an Stellen mit einer hohen externen Warmeubergangszahl herabgesetzt wird. Dies ergibt sich unter Einbeziehung der Losung eines Gleichungssystems, das die Wärmeübertragung innerhalb der verschiedenen Bereiche des Turbinenschaufelblatts beschreibt. Die Wärmeübertragung umfaßt einerseits den Wärmeübergang vom heißen Aktionsfluid auf die Außenseite der Außenwand und von der Innenseite der Außenwand auf das Kühl- fluid. Weiterhin wird in dem Gleichungssystem die Warmelei- tung innerhalb der Außenwand beschrieben. Eine dünnere Außenwand erhöht die Warmeleitung . Als Randbedingungen für die Losung des Gleichungssystems werden die Temperaturschwellenwerte, die Temperaturgradienten gesetzt. Sie sind charakteri- stisch für die Außenwand und stellen im wesentlichen eine obere Begrenzung für die Aktionsfluidtemperaturen dar. Eme Einhaltung dieser Werte stellt sicher, daß keine Temperaturen an der Schaufel überschritten werden, die zu lokalen Schaden und letztendlich zum frühen Versagen der Turbinenschaufel fuhren könnten. Der Temperaturschwellenwert entspricht in der Regel einer Oxidationsgrenze des Außenwandmaterials, der Temperaturgradient ist eine Maß für aufgrund unterschiedlicher Temperaturen zwischen zwei Stellen der Außenwand entstehende thermische Spannungen. Zur Gewährleistung einer langen Le- bensdauer der Turbinenschaufel darf er einen kritischen Wert, der von dem Werkstoff, der Zusammensetzung aller beteiligten Spannungen und vom Betriebs-Lastkollektiv abhangt, nicht übersteigen .The hot action fluid does not flow around the outer wall of the turbine blade equally quickly and equally everywhere, which leads to locally different heat input or heat transfer action fluid / outer wall. The external heat transfer coefficient is a measure of this heat transfer. A heat transfer number indicates the amount of heat that is transferred per unit of time and area. The higher the heat transfer number, the greater the heat transfer of the heat introduced into the material, for example by convection or radiation. With an increased external heat transfer, the cooling requirement increases at this point on the airfoil. This locally increased cooling requirement is met according to the invention in that the thickness of the metal wall and thus the outer wall is reduced at points with a high external heat transfer number. This results from the inclusion of the solution of an equation system that describes the heat transfer within the different areas of the turbine airfoil. The heat transfer comprises the heat transfer from the hot action fluid to the outside of the outer wall and from the inside of the outer wall to the cooling fluid. Furthermore, the heat conduction within the outer wall is described in the system of equations. A thinner outer wall increases the heat conduction. The temperature threshold values and the temperature gradients are set as boundary conditions for the solution of the system of equations. They are characteristic of the outer wall and essentially represent an upper limit for the action fluid temperatures. Compliance with these values ensures that no temperatures are exceeded on the blade which could lead to local damage and ultimately to the early failure of the turbine blade. The temperature threshold generally corresponds to an oxidation limit of the outer wall material, the temperature gradient is a measure of the thermal stresses that arise between two points of the outer wall due to different temperatures. To ensure a long lifespan for the turbine blade, it must not exceed a critical value that depends on the material, the composition of all the voltages involved and the operating load spectrum.
Die Losung des Gleichungssystems verdeutlicht, daß eine dünnere Ausbildung der Außenwand in einer Art dynamischem Gleichgewicht das Temperaturniveau und die anliegenden Temperaturgradienten herabgesetzt. Prinzipiell fuhrt somit eine dünnere Ausbildung der Außenwand zu einer verbesserten Kuhl- Wirkung aufgrund der erhöhten Wärmeableitung durch das Schaufelaußenwandmaterial. Dies unterliegt jedoch noch den Anforderungen an die Stabilität, die der Dicke der Außenwand eine untere Grenze setzen. Bei geschickter Ausbildung des Innenraums, beispielsweise durch das Einsetzen von Rippen, wie unten beschrieben, wird diese untere Grenze noch ein wenig zu geringeren Dicken h verschoben.The solution to the system of equations shows that thinning the outer wall in a kind of dynamic equilibrium reduces the temperature level and the temperature gradients. In principle, a thinner design of the outer wall leads to an improved cooling effect due to the increased heat dissipation through the blade outer wall material. However, this is still subject to the requirements for stability, which is the thickness of the outer wall set lower limit. If the interior is skillfully designed, for example by inserting ribs, as described below, this lower limit is shifted a little to smaller thicknesses h.
Durch eine lokale Variation der Dicke kann somit den lokal erhöhten Kuhlanforderungen an Stellen mit hohen externen War- meubergangszahlen auf einfache Art und Weise begegnet werden. An Stellen niedriger externer Warmeubergangszahl kann die Außenwand sogar dicker ausgeführt werden, was die Stabilität erhöht. Aufgrund der durch die Einstellung der Außenwanddicke erreichten, individuell angepaßten Kuhlwirkung kann auf kompliziert ausgebildete Kanäle innerhalb des Hohlraums verzichtet werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Turbmen- schaufei und senkt die Kosten. Darüber hinaus wird der benotigte Kuhlfluidmassenstrom durch die angepaßte Kühlung gesenkt, was den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine verbessert .By locally varying the thickness, the locally increased cooling requirements at locations with high external heat transfer numbers can thus be met in a simple manner. In places with a low external heat transfer number, the outer wall can be made even thicker, which increases stability. Due to the individually adapted cooling effect achieved by adjusting the outer wall thickness, it is possible to dispense with complicated channels within the cavity. This simplifies the manufacture of the Turbmenschaufei and lowers the costs. In addition, the required cooling fluid mass flow is reduced by the adapted cooling, which improves the efficiency and the performance of the turbine.
Vorteilhaft ist es, wenn die Außenwand mehrschichtig aufgebaut ist und außen an der Außenwand eme dünne keramische Schutzschicht und innen eine Metallwand aufweist und daß derjenige Temperaturgradient maßgeblich ist, der zwischen der Außenseite und der Innenseite der Metallwand anliegt. Durch den mehrschichtigen Aufbau kann die Außenwand bei geeigneter Wahl der Schichten verschiedenartige Aufgaben und Anforderungen erfüllen. Die Metallwand, insbesondere aus einer hoch- warmfesten Metallegierung, gewahrleistet neben einer ausreichenden mechanische Festigkeit und gute Warmeelastizitat , was aufgrund der wechselnden mechanischen Belastungen und Temperaturen notwendig ist. Eme keramische Schutzschicht schützt die Metallwand vor zu hohen Temperaturbelastungen bzw. verhindert eme Oxidation bzw. Korrosion. Die Schutzschicht soll unter anderem verhindern, daß die durch das Anströmen durch das heiße Aktionsfluid an der Schaufelaußenwand verursachte höchste Temperatur einen Werkstoffspezifischen Maximalwert übersteigt, beziehungsweise ein sich einstellender Tempera- turgradient zwischen der Außenseite der Außenwand und der Innenseite der Außenwand einen bestimmten kritischen Wert übersteigt. Übliche Hochleistungsschaufeln sind auf ausreichend dicke keramische Schutzschichten zur Wärmedämmung angewiesen, damit Temperatur- und Spannungsgrenzen einhaltbar sind. Durch die hohen Belastungen während des Betriebs der Turbine, insbesondere durch schnelle Temperaturwechsel beziehungsweise große Spannungsunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen der Außenwand und aufgrund der bereits im kalten Zustand vor- handenen Gitterparameterunterschiede zwischen der keramischen Schutzschicht und der Metallwand und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten platzen keramische Wärmedämmschichten vorzeitig von der Metallwand ab. Hieran schließt sich dann ein Versagen der Schaufel an. Dies wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, daß die Dicke der Metallwand nach Maßgabe der Wärmeübergangskoeffizienten eingestellt ist und der Temperaturschwellenwert und der Temperaturgradient zwischen der Außenseite und der Innenseite der Metallwand vorbestimmte Werte nicht übersteigen. Diese Werte sind nach den entspre- chenden Anforderungen der Schutzschicht bzw. der Grenzschicht zwischen Schutzschicht und Metallwand ausgelegt. Somit reicht es, eine im Vergleich zu üblichen Schutzschichtdicken sehr viel dünnere Schutzschicht auf die Metallwand aufzubringen. Die dünnere Ausbildung der Schicht verbessert zusätzlich die Haftung der Schutzschicht auf der Schaufeloberfläche und verhindert ein lokales Abplatzen, weil sich die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Materialien aufgrund der geringen Schichtdicke nicht mehr so stark auswirken. Zugleich ist diese dünne Schicht wesentlich einfacher aufzubringen, unter anderem auch deshalb, weil an sie geringere Anforderungen bezüglich der Homogenität gestellt werden müssen. Dies verringert die Herstellungskosten und erhöht zugleich die Lebensdauer der Schaufel.It is advantageous if the outer wall has a multilayer structure and has a thin ceramic protective layer on the outside of the outer wall and a metal wall on the inside and that the temperature gradient that is present between the outside and the inside of the metal wall is decisive. Due to the multi-layer structure, the outer wall can fulfill various tasks and requirements with a suitable choice of layers. The metal wall, in particular made of a high-temperature metal alloy, ensures sufficient mechanical strength and good thermal elasticity, which is necessary due to the changing mechanical loads and temperatures. A ceramic protective layer protects the metal wall from excessive temperature loads and prevents oxidation or corrosion. The protective layer is intended, inter alia, to prevent the highest temperature caused by the inflow of hot action fluid on the outer wall of the blade from exceeding a material-specific maximum value or from an established temperature turgradient between the outside of the outer wall and the inside of the outer wall exceeds a certain critical value. Usual high-performance blades depend on sufficiently thick ceramic protective layers for thermal insulation so that temperature and voltage limits can be maintained. Due to the high loads during the operation of the turbine, in particular due to rapid temperature changes or large voltage differences between different areas of the outer wall and due to the lattice parameter differences already existing in the cold state between the ceramic protective layer and the metal wall and different coefficients of thermal expansion, ceramic thermal insulation layers burst prematurely from the metal wall from. This is followed by a failure of the blade. This is prevented according to the invention in that the thickness of the metal wall is set in accordance with the heat transfer coefficients and the temperature threshold and the temperature gradient between the outside and the inside of the metal wall do not exceed predetermined values. These values are designed according to the corresponding requirements of the protective layer or the boundary layer between the protective layer and the metal wall. It is therefore sufficient to apply a much thinner protective layer to the metal wall than conventional protective layer thicknesses. The thinner layer also improves the adhesion of the protective layer to the blade surface and prevents local flaking, because the different thermal expansions of the materials no longer have such an impact due to the small layer thickness. At the same time, this thin layer is much easier to apply, among other things because it has to meet less stringent homogeneity requirements. This reduces the manufacturing costs and at the same time increases the lifespan of the blade.
Wenn der Temperaturschwellenwert an der gesamten Außenwand und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten über der gesamten Außenwand nicht überschritten werden, sind besonders gute Be- dingungen für eine geringe thermische oder spannungsmaßige Belastung einer Turbinenschaufel gegeben. Dies ist besonders bei beschichteten Turbmenschaufein wichtig. Durch eme gleichmaßigere, niedrigere Temperatur der Außenwand aufgrund der erfindungsgemaßen Einstellung der Dicke der Außenwand ist eine gute Haftung der keramischen Schutzschicht auf der Metallwand gewahrleistet, ohne daß weitere fertigungstechnische Maßnahmen ergriffen werden mußten oder die Heißgastemperatur gesenkt werden mußte, was den Wirkungsgrad herabsetzen wurde.If the temperature threshold value on the entire outer wall and / or predetermined temperature gradients over the entire outer wall are not exceeded, particularly good values are conditions for a low thermal or stress load of a turbine blade. This is particularly important with coated turbo showers. Due to a more uniform, lower temperature of the outer wall due to the setting of the thickness of the outer wall according to the invention, good adhesion of the ceramic protective layer to the metal wall is ensured without further manufacturing measures having to be taken or the hot gas temperature having to be reduced, which would reduce the efficiency.
Aus thermischen Gründen ist es möglich, die keramische Schutzschicht vollständig wegzulassen, wenn der Temperaturschwellenwert und der Temperaturgradient kritischen Werkstoffabhangigen Werten entsprechen. Eine eventuelle Schutz- schicht dient in diesem Fall im wesentlichen noch zur Verhinderung von Korrosions- bzw. Oxydationsangriffen und kann somit zumindest dunner als übliche keramische Schutzschichten ausgebildet sein. Dies verringert die Herstellungskosten und erhöht die Lebensdauer der Schaufel .For thermal reasons, it is possible to completely omit the ceramic protective layer if the temperature threshold value and the temperature gradient correspond to critical material-dependent values. In this case, a possible protective layer essentially still serves to prevent corrosion or oxidation attacks and can thus be at least thinner than conventional ceramic protective layers. This reduces the manufacturing costs and increases the lifespan of the blade.
Vorteilhaft ist es dann insbesondere, wenn die Außenwand einschichtig ist und aus Metall besteht. Das Metall ist auch bei relativ hohen Temperaturen noch stabil und leitet zugleich die Warme gut ab, so daß durch die Kühlung im Inneren und die angepaßten Dicken der Außenwand die Temperaturschwellenwerte und die Temperaturgradienten eingehalten werden können.It is particularly advantageous if the outer wall is single-layer and consists of metal. The metal is still stable even at relatively high temperatures and at the same time dissipates the heat well, so that the temperature threshold values and the temperature gradients can be maintained by the cooling inside and the adapted thicknesses of the outer wall.
Um insbesondere bei dünnen Metallwandabschnitten erhöhten Spannungen in der Außenwand, beispielsweise durch aufgrund eines hohen Innendrucks erhöhten Primarspannungen, zu begegnen, wird vorgeschlagen, daß im Hohlraum ein Feld aus Rippen dort vorgesehen ist, wo ein Außenwandbereich geringerer Dicke vorliegt. Auf diese Weise werden dünnere Bereiche der Außenwand so gestärkt, daß sie annähernd dieselbe Stabilität auf- weisen, wie dickere Bereiche. Hierdurch laßt sich eine homogene Beanspruchung der Turbmenschaufelaußenwand und eine gleichmaßige Werkstoffausnutzung erzielen. Durch die homogene Spannungs- und Dehnungsverteilung wird eine bessere Langzeithaftung der keramischen Schutzschicht auf dem Grundmaterial erreicht, was zu einer Verlängerung der Schaufellebensdauer fuhrt. Durch die Begrenzung der mnendruckbedingten Primar- Spannungen durch Anbringen von wanddickenabhangigen Rippenfeldern im Hohlraum sowie Begrenzung der Warmespannungen durch Einhaltung eines Grenzwerts für den Temperaturgradienten wird eine Schädigung des Werkstoffs durch zu hohe Zyklenzahlen der sich einstellenden gesamten van Mises-Vergleichs- Spannung, die die Primarspannung, die Warmespannung sowie weitere Spannungen umfaßt, zuverlässig verhindert. Bei Leit- und Laufschaufein erfolgt die Berechnung der thermischen Leitwerte, d.h. der Dickenvariation in etwa gleich. Für die Auslegung der Rippenfelder ist bei Laufschaufein zu beruck- sichtigen, daß noch fliehkraftbedingte Spannungen hinzukommen, sowie zusatzliche Sekundarstromungen.In order to counter increased stresses in the outer wall, in particular in the case of thin metal wall sections, for example due to increased primary stresses due to a high internal pressure, it is proposed that a field of ribs be provided in the cavity where there is an outer wall region of reduced thickness. In this way, thinner areas of the outer wall are strengthened in such a way that they have approximately the same stability as thicker areas. This makes it possible to achieve a homogeneous stress on the outer wall of the turbine blade and a uniform material utilization. Because of the homogeneous Stress and strain distribution result in better long-term adhesion of the ceramic protective layer on the base material, which leads to an extension of the blade life. By limiting the primary stresses caused by internal pressure by attaching ribbed fields dependent on the wall thickness in the cavity and limiting the thermal stresses by adhering to a limit value for the temperature gradient, damage to the material is caused by excessive cycle numbers of the resulting total van Mises comparative stress, the primary stress, the hot voltage and other voltages reliably prevented. In the case of leading and moving vane, the thermal conductance values, ie the thickness variation, are calculated approximately the same. When designing the rib fields, it is important to take into account that centrifugal stresses are added, as well as additional secondary currents.
Diese vorgenannten Vorteile werden insbesondere dadurch erreicht, daß die Rippen des Felds nach Maßgabe der Dicke der Außenwand, des Temperaturschwellenwerts und/oder des Temperaturgradienten und/oder der von Mises-Vergleichsspannung vorbestimmte Maße, Abstände und raumliche Anordnungen aufweisen. Eine optimale Parameterkombination ermöglicht in weiten Bereichen eine Einhaltung der Temperaturzielgroßen, so daß eine homogene Beanspruchung des Materials und eine gleichmäßigeThese aforementioned advantages are achieved in particular in that the ribs of the field have dimensions, distances and spatial arrangements predetermined in accordance with the thickness of the outer wall, the temperature threshold and / or the temperature gradient and / or the Mises reference stress. An optimal combination of parameters enables the temperature target sizes to be maintained over a wide range, so that the material is subjected to a homogeneous load and uniform
Werkstoffausnutzung erzielt werden kann. Eine Begrenzung der Warmespannungen erfolgt im wesentlichen bereits durch die Einhaltung des vorbestimmten Temperaturgradienten durch Einstellung der Dicke der Metallwand und somit der Außenwand. Die Begrenzung der Primarspannung erfolgt durch die angebrachten wanddickenabhangigen Rippenfelder auf der Innenseite der Außenwand. Werden vorbestimmte Abstände zwischen den Rippen eingehalten, kann somit einerseits eine optimale Kuhlwirkung, zugleich jedoch auch eine optimale Stabilität des Mate- πals erreicht werden. Weitere Parameter sind die Hohe und die Breite der Rippen, sowie ihre raumliche Anordnung. Durch eine bestimmte Anordnung von Rippen m Rippenfeldern ist es möglich, dünne und zugleich haltbare Außenwände für eine optimale thermische Wandauslegung mit oder auch ohne keramische Schutzschichten herzustellen. Diese Maßnahmen können in der Regel sowohl für Leit- wie auch für Laufschaufein eingesetzt werden.Material utilization can be achieved. The thermal stresses are essentially limited by adhering to the predetermined temperature gradient by adjusting the thickness of the metal wall and thus the outer wall. The primary tension is limited by the rib thickness fields on the inside of the outer wall, which are dependent on the wall thickness. If predetermined distances between the ribs are observed, an optimal cooling effect can be achieved on the one hand, but at the same time, however, an optimal stability of the material can be achieved. Other parameters are the height and width of the ribs, as well as their spatial arrangement. By a certain arrangement of ribs in ribbed fields it is possible to produce thin and at the same time durable outer walls for optimal thermal wall design with or without ceramic protective layers. As a rule, these measures can be used for both guide and moving displays.
Wenn insbesondere das Feld der Rippen zumindest abschnittsweise quer zur Strömung des Kuhlfluids verlauft, wird die Turbulenz des Kuhlfluids erhöht, was die Kuhlwirkung verbes- sert, ohne daß zusatzliche Turbulatoren eingesetzt werden mußten. Durch die quer zur Stomungsrichtung des Kuhlfluids angeordneten Rippenfelder wird gerade in den Bereichen mit dunner Wandstarke, wo eine höhere interne Warmeubergangszahl benotigt wird, eine erwünschte höhere Kuhlwirkung erreicht. Zur Erzielung der gewünschten Verwirbelung ist darauf zu achten, daß die Rippen weder zu eng noch zu weit voneinander beabstandet angeordnet werden, weil sonst entweder keine ausreichende Verwirbelung oder eine zu geringe Stabilität erzielt werden.If, in particular, the field of the ribs runs at least in sections transversely to the flow of the cooling fluid, the turbulence of the cooling fluid is increased, which improves the cooling effect without the need to use additional turbulators. Due to the rib fields arranged transversely to the direction of flow of the cooling fluid, a desired higher cooling effect is achieved especially in the areas with thin wall thickness where a higher internal heat transfer number is required. In order to achieve the desired swirling, care must be taken that the ribs are neither too narrow nor too far apart, because otherwise either insufficient swirling or insufficient stability will be achieved.
Weisen die Rippen Queroffnungen auf, wird das Kühlfluid bei dem Durchströmen des Innenraums turbulenter. Dies verbessert wiederum die Kuhlwirkung. Die Offnungen sind so ausgelegt, daß sie die Stabilität der Rippen nicht beeinflussen.If the ribs have transverse openings, the cooling fluid becomes more turbulent as it flows through the interior. This in turn improves the cooling effect. The openings are designed so that they do not affect the stability of the ribs.
Es ist vorteilhaft, wenn der Hohlraum von der Druckseite zur Saugseite in Längsrichtung der Turbinenschaufel von Innenwanden durchzogen ist, wobei die Innenwände an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke der Außenwand angeschlossen sind. Durch die Einteilung des Hohlraums von der Druckseite zur Saugseite wird sichergestellt, daß die Stabilität der Turbinenschaufel erhalten bleibt bzw. verbessert wird. Zugleich wird der Hohlraum in mehrere Kammern aufge- teilt. Die Form und Anzahl der hierzu eingesetzten Innenwände wird je nach Kuhlungsart und Kuhlfluideigenschaften so gewählt, daß ein möglichst einfacher Aufbau des Hohlraums re- sultiert. Dies bedeutet, daß eine kostengünstige, herkömmliche Feingußtechnik angewandt werden kann. Wenn die Innenwände an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke der Außenwand angeschlossen sind, werden Spannungsspitzen in der Außenwand werden reduziert. Die Innenwände verstarken die Außenwandbereiche und fangen somit Spannungen auf, die durch eine sich verändernde Dicke, und unterschiedlichen Temperaturen in der Außenwand und damit unterschiedlichen Warmetrans- port entstehen. Darüber hinaus wird berücksichtigt, daß sich überall ein optimales Geschwindigkeitsniveau des Kuhllfluids und somit eme optimale interne Warmeubergangszahl ergibt. Durch die Aufteilung des Hohlraums treten lediglich geringe Druckverluste auf. Es ist dehalb ein hoher Anteil an Energie aus dem erwärmten Kühlfluid ruckgewmnbar .It is advantageous if the cavity is traversed by inner walls from the pressure side to the suction side in the longitudinal direction of the turbine blade, the inner walls being connected to the pressure-side or suction-side outer wall with a continuous course to the continuous course of the thickness of the outer wall. The division of the cavity from the pressure side to the suction side ensures that the stability of the turbine blade is maintained or improved. At the same time, the cavity is divided into several chambers. The shape and number of the inner walls used for this purpose are chosen depending on the type of cooling and cooling fluid properties so that the cavity is as simple as possible. consulted. This means that an inexpensive, conventional investment casting technique can be used. If the inner walls are connected to the pressure-side or suction-side outer wall with a continuous course to the continuous course of the thickness of the outer wall, stress peaks in the outer wall are reduced. The inner walls reinforce the outer wall areas and thus absorb tensions caused by a changing thickness and different temperatures in the outer wall and thus different heat transport. In addition, it is taken into account that there is an optimal speed level of the cooling fluid everywhere and thus an optimal internal heat transfer number. Due to the division of the cavity, only slight pressure losses occur. Therefore, a high proportion of energy can be recovered from the heated cooling fluid.
Eine zusatzliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit ist dadurch gegeben, daß der Hohlraum mit einer Aluminisierungs- schicht versehen ist, isnbesondere die dampfbenetzten Innen- flachen.An additional improvement in the corrosion resistance is given by the fact that the cavity is provided with an aluminizing layer, in particular the steam-wetted inner surfaces.
Der Wirkungsgrad der Turbine wird durch das Kühlfluid kaum bzw. lediglich minimal verringert, wenn das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf durch die Turbinenschaufel ge- fuhrt wird. Die Fuhrung in einem Kreislauf kann auch weitere Turbinenschaufeln umfassen, wodurch zusätzlich Kühlfluid eingespart wird. Dadurch, daß keine abkühlende Mischung durch in das Aktionsfluid austretendes Kühlfluid ensteht, bleibt der Wirkungsgrad und damit die Leistung der Turbine erhalten. Es wird kein Kühlfluid verbraucht, was die Betriebskosten derThe efficiency of the turbine is hardly or only minimally reduced by the cooling fluid if the cooling fluid is passed through the turbine blade in a closed circuit. The guidance in a circuit can also comprise further turbine blades, whereby additional cooling fluid is saved. Because no cooling mixture is created by the cooling fluid exiting the action fluid, the efficiency and thus the performance of the turbine are retained. No cooling fluid is consumed, which reduces the operating costs of the
Turbine senkt. Die vom Kühlfluid innerhalb der Turbinenschaufel aufgenommene Warme kann weitgehend wiederverwendet werden. Dies verbessert die Energieausnutzung und erhöht den Wirkungsgrad.Turbine lowers. The heat absorbed by the cooling fluid within the turbine blade can largely be reused. This improves energy utilization and increases efficiency.
Eine vorteilhafte raumliche Anordnung des Hohlraums der Turbinenschaufel wird dadurch unterstutzt, daß der Einlaß und der Auslaß des Kuhlfluids im Fußbereich angeordnet sind. Vom Fußbereich aus wird das Kühlfluid dann in die verschiedenen anderen Kuhlbereiche geleitet. Der Fußbereich ist für Zuleitungen des Kuhlfluids leichter zuganglich.An advantageous spatial arrangement of the cavity of the turbine blade is supported in that the inlet and the outlet of the cooling fluid are arranged in the foot area. The cooling fluid is then directed from the foot area to the various other cooling areas. The foot area is more easily accessible for cooling fluid supply lines.
Eine sparsame Verwendung des Kuhlfluids ist dadurch gegeben, daß der Kopf- und Fußbereich der Turbinenschaufel zugleich mit dem Kühlfluid des Schaufelblattbereichs gekühlt wird. Hierdurch ist der Aufbau des Kopf-, Fuß- und Schaufelblattbe- reichs und insbesondere der Übergänge zwischen den Bereichen vereinfacht .The cooling fluid is used economically in that the top and bottom region of the turbine blade is cooled at the same time as the cooling fluid of the airfoil region. This simplifies the structure of the head, foot and blade area and in particular the transitions between the areas.
Eine genauere Anpassung an die wirklich benotigte Kühlung ist dadurch gegeben, daß die Turbinenschaufel eine Laufschaufel ist und die Wanddicke von Kuhlkammern im Hohlraum nach Maßgabe einer lokalen Warmeubergangszahl lokal variiert. Durch die Rotationsbewegung der Laufschaufel wird das Kühlfluid in manchen Bereichen der Kuhlkammern starker gegen die Innenwände bzw. gegen die Außenwände gepreßt. Dies verursacht ei- nen inhomogenen internen Wärmeubergangskoeffizienten. Dies wird durch die Änderung der Wanddicken der Innenwände bzw. der Außenwand erfindungsgemaß wieder ausgeglichen. Durch die Anpassung der Wanddicken wird lediglich die unbedingt benotigte Materialmenge eingesetzt und zugleich ein genauer ange- paßter Kühlmittelverbrauch erreicht. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Turbine erhöht und zugleich eine in allen Bereichen der Scahuefl ausreichende Kühlung sichergestellt.A more precise adaptation to the cooling actually required is given in that the turbine blade is a moving blade and the wall thickness of cooling chambers in the cavity varies locally in accordance with a local heat transfer number. Due to the rotating movement of the rotor blade, the cooling fluid is pressed more strongly against the inner walls or against the outer walls in some areas of the cooling chambers. This causes an inhomogeneous internal heat transfer coefficient. This is compensated for by the change in the wall thicknesses of the inner walls or the outer wall according to the invention. By adjusting the wall thicknesses, only the quantity of material that is absolutely necessary is used and, at the same time, a more precisely adapted coolant consumption is achieved. This increases the efficiency of the turbine and at the same time ensures sufficient cooling in all areas of the Scahuefl.
Vorteilhaft ist es, wenn im Mittelbereich des Schaufelblatt- bereichs von Innenwanden gebildete Mittelkuhlkammern vorgesehen sind, die seriell vom Kühlfluid durchströmt sind. Die Mittelkühlkanale befinden sich in dem mit am stärksten durch hohen Warmeeintrag belasteten Bereichen der Turbinenschaufel. Sie tragen somit einen großen Anteil der eingetragenen Warme in sich. Die serielle Durchstromung gewahrleistet einen langen, maanderformigen Weg des Kuhlfluids durch die Turbinenschaufel und somit eine gute Ausnutzung der Wärmekapazität des Kuhlfluids. Insbesondere an Umlenkstellen wird das Kühlfluid stark verwirbelt und somit die Kuhlwirkung verbessert. Die benotigte Kuhlfluidmenge wird reduziert.It is advantageous if in the central region of the airfoil region there are provided central cooling chambers which are flowed through in series by the cooling fluid. The central cooling ducts are located in the areas of the turbine blade that are most heavily loaded with high heat input. They therefore carry a large proportion of the heat registered. The serial flow ensures a long, meandering path of the cooling fluid through the turbine blade and thus a good utilization of the heat capacity of the cooling fluid. In particular at deflection points, the cooling fluid is strongly swirled and the cooling effect is thus improved. The amount of cooling fluid required is reduced.
Ein schnelles Fließen des Kuhlfluids und damit ein verbesserter Warmeabtransport ist dadurch gegeben, daß im Mittelbereich des Schaufelblattbereichs von Innenwanden gebildete Mittelkuhlkammern vorgesehen sind, die parallel vom Kühlfluid durchströmt sind. Zugleich ist hierdurch der Aufbau des Hohl- raums in dem sich die Kuhlkammern befinden, vereinfacht und somit ein ausschußarmerer Guß bei der Herstellung ermöglicht.A rapid flow of the cooling fluid and thus an improved heat removal is provided in that central cooling chambers formed by inner walls are provided in the central region of the airfoil region and the cooling fluid flows through them in parallel. At the same time, this simplifies the construction of the cavity in which the cooling chambers are located, thus making it possible to cast with less scrap during manufacture.
Die Stromungsgeschwindigkeit des Kuhlfluids kurz vor dem Aufprall auf die Außenwand wird erhöht, wenn zumindest eine der Mittelkuhlkammern einen Prallkuhleinsatz mit nach außen gerichteten Prallkuhlbohrungen aufweist, die mit Abstand von der Innenseite der Außenwand angeordnet und die vom Kühlfluid durchströmt sind. Durch die erhöhte Stromungsgeschwindigkeit des auf die Innenseite der Außenwand aufprallenden Kuhlfluids wird die Kuhlwirkung deutlich verbessert. Hierdurch ist es möglich, auch mittels eines Kuhlmittels mit niedrigem Druck eine gute Kühlwirkung zu erzielen, ohne die Außenwand durch hohe Primarspannungen durch den Innendruck zu belasten.The flow rate of the cooling fluid shortly before the impact on the outer wall is increased if at least one of the central cooling chambers has an impact cooling insert with outward directed impingement cooling bores, which are arranged at a distance from the inside of the outer wall and through which the cooling fluid flows. The cooling effect is significantly improved by the increased flow rate of the cooling fluid hitting the inside of the outer wall. This makes it possible to achieve a good cooling effect even by means of a coolant with low pressure without stressing the outer wall due to high primary stresses due to the internal pressure.
Eine einfache, sichere und kostengünstige Art der Halterun des Prallkuhleinsatzes ist gegeben, wenn der Prallkuhleinsatz von auf der Innenseite der Außenwand und/oder von auf der Innenwand und/oder von auf Rippen angebrachten Abstandshaltern gehalten ist.A simple, safe and inexpensive way of holding the baffle insert is provided if the baffle insert is held by on the inside of the outer wall and / or by spacers attached to the inside wall and / or by ribs.
Eine weitere Verbesserung der Kühlung ist dadurch gegeben, daß an der Hinterkante der Turbinenschaufel eine Zusatzkuh- lung vorhanden ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dort Außenwände enger zusammenlaufen und somit eine Verbindung zu den übrigen Kuhlkammern häufig schwierig ist. Insbesondere handelt es sich dabei um eine separate, geschlossene Dampfkuhlung .A further improvement of the cooling is given by the fact that additional cooling is provided on the rear edge of the turbine blade. This is particularly advantageous because the outer walls converge more closely there, and a connection to the other cooling chambers is therefore often difficult. In particular, it is a separate, closed steam cooling.
Wenn an der Hinterkante der Turbmenschaufel alternativ eine offene Luftkühlung mit freiem Austritt vorhanden ist wird keine Ruckleitung mehr benotigt. Die eingesetzte Luft wird frei in den Aktionsfluidraum eingeleitet. Da es sich nur um eine relativ geringe Menge Kuhlluft handelt, wird der Wirkungsgrad der Turbine hierdurchwenig gemindert.If, alternatively, there is open air cooling with a free outlet at the rear edge of the turbine blade, no return line is required. The air used is fed freely into the action fluid space. Since it is only a relatively small amount of cooling air, the efficiency of the turbine is not reduced as a result.
Zur Erzielung einer höheren internen Warmeubergangszahl ist es vorteilhaft, wenn das Kühlfluid Dampf ist. Die knappe, für niedrige Schadstoffemissionen bei pulsationsfreiem Betrieb benotigte Verdichterluft muß nicht eingesetzt werden. Eine geschlossene Luftkühlung benotigt sehr viel Luft und bewirkt hohe Druckverluste. Bei Verwendung von Dampf als Kühlfluid sind gegenüber Luft 1,5 bis dreifach höhere interne Warme- ubergangszahlen erzielbar. Der Einsatz von Dampf ermöglicht somit den Betrieb der Turbine mit einem heißeren Aktions- fluid, was wiederum den Wirkungsgrad heraufsetzt. Wenn Kühlluft in das Aktionsfluid eingeleitet wird, entstehen hohe Wirkungsgradverluste. Bei Beibehaltung der Temperatur des Ak- tionsfluids ist es durch den Einsatz von Kuhldampf möglich, die Turbinenschaufelaußenwand dicker auszubilden, was die Stabilität der Schaufel erhöht und die Anforderungen an die Rippenfelder herabsetzt. Es sind auch Losungen ohne Rippenfelder möglich. Kuhldampf besitzt gegenüber Luft zugleich noch eine höhere Wärmekapazität, was zu einem verbesserten Warmeabtransport aus der Turbinenschaufel fuhrt.To achieve a higher internal heat transfer number, it is advantageous if the cooling fluid is steam. The scarce compressor air required for low pollutant emissions during pulsation-free operation does not have to be used. Closed air cooling requires a lot of air and causes high pressure drops. When steam is used as the cooling fluid, internal heat transfer numbers 1.5 to three times higher than that of air can be achieved. The use of steam thus enables the turbine to be operated with a hotter action fluid, which in turn increases efficiency. When cooling air is introduced into the action fluid, there are high efficiency losses. If the temperature of the action fluid is maintained, the use of cow steam makes it possible to make the turbine blade outer wall thicker, which increases the stability of the blade and reduces the demands on the fin fields. Solutions without rib fields are also possible. At the same time, cow steam has a higher heat capacity than air, which leads to improved heat removal from the turbine blade.
Bei Einsatz eines Niederdruckdampfes ist eine Ausgestaltung des Hohlraums mit wenigen Kuhlkammern im Blattbereich möglich. Dieser Niederdruckdampf ist gekennzeichnet durch einen Eintrittsdruck von 15 bar oder eine Eintrittstemperatur von ungefähr 250°C. Durch den niedrigen Druck ist die Belastung der Außenwand durch innendruckbedingte Primarspannungen vermindert und es werden weniger Rippen zur Stabilisierung der Außenwand benotigt. Der Innenraum kann beispielsweise so ausgestaltet sein, daß zwei von einer Innenwand gebildete Kuhlkammern seriell von Kühlfluid durchströmt sind. Vorteilhafterweise befindet sich zumindest m einer der Kuhlkammern ein Prallkuhleinsatz, der Prallkuhlbohrungen aufweist, die vom Kühlfluid durchströmt sind, und der von auf der Innenseite der Außenwand und/oder auf der Innenwand und/oder auf einigen der Rippen angebrachten Stegen gehalten wird. Durch den Einsatz von Prallkuhlbohrungen wird der Kuhldampf lokal stark beschleunigt und somit seine Kuhlwirkung erhöht. Die Beschleunigung erfolgt durch die Prallkuhlbohrungen auf die Innenseite der Außenwand, und erhöht somit die interne Warmeubergangszahl .When using a low-pressure steam, it is possible to design the cavity with a few cooling chambers in the blade area. This low pressure steam is characterized by an inlet pressure of 15 bar or an inlet temperature of approximately 250 ° C. Due to the low pressure, the load on the outer wall due to primary stresses caused by internal pressure is reduced and there are fewer ribs to stabilize the Outside wall needed. The interior can, for example, be designed such that two cooling chambers formed by an inner wall have cooling fluid flowing through them in series. Advantageously, at least in one of the cooling chambers there is an impingement insert which has impingement cooling bores through which the cooling fluid flows and which is held by webs arranged on the inside of the outside wall and / or on the inside wall and / or on some of the ribs. The use of impingement cooling bores accelerates the local cow steam considerably and thus increases its cooling effect. Acceleration takes place through the baffle cooling holes on the inside of the outer wall, thus increasing the internal heat transfer rate.
Besonders gute Kuhleigenschaften hat der Dampf, wenn er ein Mitteldruckdampf ist. Mitteldruckdampf ist gekennzeichnet durch Eintrittsdaten von ungefähr 30 bar Druck und 350°C Eintrittstemperatur. Zugleich ist der Innendruckspannungspegel noch nicht sehr hoch, so daß die entstehenden Spannungen noch beherrschbar sind. Der Mitteldruckdampf ist in modernen GUD- Kraftwerken direkt verfugbar und muß nicht unter Energieverlust zusatzlich bereitgestellt werden. Durch den höheren Dampfdruck entstehen gegenüber einem Niederdruckdampf höhere Warmeubergangszahlen und ein besserer Warmetransport . Unter Gewahrleistung gleichbleibender Kuhlwirkung ist die Wanddicke der Turbmenschaufel somit dicker ausbildbar, wodurch die Stabilität der Turbinenschaufel erhöht wird und die Wand den durch den hohen Druck des Mitteldruckdampfes erhöhten Primar- spannungen besser standhalt. Zudem weist der Hohlraum bei Verwendung eines Mitteldruckkuhldampfs lediglich Kuhlkammern auf. Auf Prallkuhleinsatze kann verzichtet werden. Dies vereinfacht die Herstellung und reduziert die Kosten.The steam has particularly good cow properties when it is a medium pressure steam. Medium pressure steam is characterized by inlet data of approximately 30 bar pressure and 350 ° C inlet temperature. At the same time, the internal compressive stress level is not yet very high, so that the resulting stresses can still be controlled. The medium-pressure steam is directly available in modern combined cycle power plants and does not have to be additionally provided with loss of energy. The higher steam pressure results in higher heat transfer numbers and better heat transport compared to low-pressure steam. While ensuring a constant cooling effect, the wall thickness of the turbine blade can thus be made thicker, which increases the stability of the turbine blade and the wall is better able to withstand the primary stresses increased by the high pressure of the medium-pressure steam. In addition, the cavity has only cooling chambers when using a medium-pressure cooling steam. Baffle inserts can be dispensed with. This simplifies production and reduces costs.
Die Außenkontur der Turbinenschauel entspricht vorteilhat dem Verlauf einer aerodynamisch vorgegebenen Form, wobei dieThe outer contour of the turbine blade advantageously corresponds to the shape of an aerodynamically predetermined shape, the
Dicke der Außenwand zum Hohlraum hin variiert. Die Form weist somit den Vorteil der Einhaltung der Temperaturschwellenwerte auf und weicht zugleich von ihrer äußeren Form nicht von den üblichen Profilen ab, so daß die Turbmenschaufel in üblichen Turbinen eingesetzt werden kann und die bereits bekannten Stromungseigenschaften aufweist .The thickness of the outer wall towards the cavity varies. The shape thus has the advantage of maintaining the temperature threshold values on and at the same time does not deviate from its outer shape from the usual profiles, so that the turbine blade can be used in conventional turbines and has the already known flow properties.
Die auf das Verfahren zur Herstellung bezogene Unteraufgabe wird dadurch gelost, daß die Gußform so angeordnet wird, daß der Profilverlauf der Außenkontur des Gußkerns der Differenz zwischen einem aerodynamisch vorgegebenen, insbesondere auße- ren Profilverlauf eines Turbinenschaufelblatts und einerThe sub-task relating to the manufacturing process is solved in that the casting mold is arranged in such a way that the profile profile of the outer contour of the casting core is the difference between an aerodynamically predetermined, in particular the external profile profile of a turbine airfoil and one
Funktion entspricht, die nach Maßgabe des Verlaufs der externen Warmeubergangszahl an der Außenseite der Außenwand der Turbinenschaufel und des Verlaufs der internen Warmeubergangszahl an der Innenseite der Außenwand der Turbinenschau- fei kontinuierlich so verlauft, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand vorbestimmte Temperaturschwellenwerte und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten zwischen vorbestimmten Stellen der Außenwand nicht überschritten werden. Insbesondere entspricht der äußere Profilverlauf dabei einem genormten Profilverlauf.Corresponds to function which, in accordance with the profile of the external heat transfer number on the outside of the outer wall of the turbine blade and the profile of the internal heat transfer number on the inside of the outer wall of the turbine blade, is such that predetermined temperature threshold values and / or predetermined values are present at least at predetermined locations on the outer wall Temperature gradients between predetermined locations on the outer wall are not exceeded. In particular, the outer profile profile corresponds to a standardized profile profile.
Es wird also lediglich ein Gußkern eingesetzt, dessen Außen- wolbung bzw. Geometrie mit der variablen Dicke der Außenwand sowie u.U. mit den Geometrien zugehöriger Rippenfelder ent- sprechend relativ zu einer umgebenden Gußform bzw. Außenkontur veränderlich ist. Dieser Gußkern ist kompakt, besitzt eine einfach herzustellende Form, die leicht abgestützt werden kann und keinen exzessiv engen Toleranzanforderungen unterliegt. Damit sind sowohl konventionelle Feingußverfahren, als auch Verfahren mit gerichteter Erstarrung oder Einkristallerstarrung ohne Mehrkosten durchfuhrbar. Die Turbinenschaufel kann in ihrem Schaufelblattbereich einstuckig gegossen werden. Der Ausschuß beim Guß ist durch die einfache Form vermindert. Durch die Außenwolbungen wird die Außenwand des Gußprodukts der Turbinenschaufel unterschiedlich dick ausgebildet, wobei im wesentlichen keine Nachbearbeitung notig ist. Durch die einfache Maßnahme der unterschiedlich dick ausgebildeten Außenwände können Temperaturgrenzwerte eingehalten werden, ohne daß aufwendige Beschichtungen vorgenommen werden mußten, die zudem leicht wieder abplatzen.Thus, only one casting core is used, the outer curvature or geometry of which can be changed relative to a surrounding casting mold or outer contour with the variable thickness of the outer wall and possibly with the geometries of the associated rib fields. This cast core is compact, has an easy-to-manufacture shape that can be easily supported and is not subject to excessively tight tolerance requirements. This means that conventional investment casting processes as well as processes with directional solidification or single crystal solidification can be carried out at no additional cost. The turbine blade can be cast in one piece in its blade area. The waste in casting is reduced by the simple shape. Due to the outer curvatures, the outer wall of the cast product of the turbine blade is made of different thicknesses, with essentially no post-processing being necessary. By simply taking the different thickness trained outer walls, temperature limit values can be maintained without the need for complex coatings which also easily flake off again.
Sowohl für Niederdruck- wie auch für Mitteldruckdampfkon- struktionen kommen gangige, ausschußarme Verfahren zum Einsatz, da die minimalen Außenwanddicken mit annähernd 1 bis 2 mm im Vergleich zu sonst üblichen Außenwanddicken von dampf- gekuhlten Turbinenschaufeln fast doppelt so groß sind und die Gußtoleranzen bei annähernd 0,15 mm liegen, was in einem für übliche Gußverfahren problemlosen Bereich liegt. Dies vereinfacht die Herstellung und verringert die Herstellungskosten betrachtlich.Common low-reject methods are used for both low-pressure and medium-pressure steam constructions, since the minimum outer wall thicknesses of approximately 1 to 2 mm are almost twice as large as the usual outer wall thicknesses of steam-cooled turbine blades and the casting tolerances are approximately 0 , 15 mm, which is in a range that is problem-free for conventional casting processes. This simplifies manufacture and considerably reduces manufacturing costs.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig.l einen Querschnitt durch eine niederdruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufel mit variierender Außenwanddicke,1 shows a cross section through a low-pressure steam-cooled turbine guide vane with a varying outer wall thickness,
Fig.2 eine schematische Ausschnittsvergroßerung der Außenwand zur Darstellung des Warmeubertragungsmechanismus in derFig.2 is a schematic enlarged detail of the outer wall to show the heat transfer mechanism in the
Außenwand,Outer wall,
Fig.3 einen schematischen Schnitt durch einen Schaufelblatt- bereich und einen Fußbereich einer niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel von Fig.l,3 shows a schematic section through an airfoil area and a foot area of a low-pressure steam-cooled turbine guide vane from FIG. 1,
Fig.4 ein Fließschema des Kuhldampfes durch eine niederdruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufel im Längsschnitt von Fig.l, Fig.5 einen Schnitt durch ein Rippenfeld, Fig.6 Queroffnungen der Rippen,4 shows a flow diagram of the cow vapor through a low-pressure steam-cooled turbine guide vane in the longitudinal section of FIG. 1, FIG. 5 shows a section through a fin field, FIG. 6 transverse openings of the fins,
Fig.7 einen Querschnitt durch eme mitteldruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufei,7 shows a cross section through a medium-pressure steam-cooled turbine guide vane,
Fig.8 einen schematischen Schnitt durch einen Schaufelblattbereich und einen Fußbereich einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel von Fig.7,8 shows a schematic section through an airfoil area and a foot area of a medium-pressure steam-cooled turbine guide vane from FIG. 7,
Fig.9 ein Fließschema des Kühldampfes einer niederdruckdampf- gekuhlten Turbinenleitschaufel im Längsschnitt von Fig.7, Fig.10 ein Fließschema mit Fließwiderstanden der Schaufel, Fig.11 einen schematischen Schnitt durch eine mitteldruckdampfgekühlte Turbinenleitschaufel und9 shows a flow diagram of the cooling steam of a low-pressure steam-cooled turbine guide vane in the longitudinal section of FIG. 7, 10 shows a flow diagram with flow resistances of the blade, FIG. 11 shows a schematic section through a medium-pressure steam-cooled turbine guide blade and
Fig.12 ein Fießschema der Turbinenleitschaufel von Fig.11.12 shows a flow diagram of the turbine guide vane from FIG. 11.
Fig.l zeigt einen Querschnitt durch einen Schaufelblattbereich 7 einer niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel 1 miir variierender Außenwanddicke 34. Die Turbinenschaufel 1 wird an der Außenseite 9 der Außenwand 4 von einem heißen Ak- tionsfluid 2, insbesondere einem Heißgas angeströmt. Zur Kühlung ist die Turbinenschaufel 1 in ihrem innenliegenden, im allgemeinen mehrteiligen Hohlraum 5, der von der Außenwand 4 umgeben ist, von einem Kuhldampf 6, nämlich einem Niederdruckkuhldampf, durchströmt. Der Hohlraum 5 ist in Langsrich- tung der Turbinenschaufel 1 von Innenwanden 20 durchzogen, welche das Schaufelprofil in Richtung von der Druckseite 46 zur Saugseite 45 so durchziehen, daß mehrere Mittelkuhlkammern 21 entstehen, in diesem Fall zwei, wobei die Innenwände 20 an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand 4 unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke 34 der Außenwand 4 angeschlossen sind. Die Mittelkühlkammern 21 weisen Prallkuhleinsatze 22 auf, deren Wände von einer Vielzahl kleiner Prallkuhlbohrungen 23 durchbrochen sind. Der Niederdruckkuhldampf wird durch die Prallkuhlboh- rungen 23 hindurchgepreßt und auf die Innenseite 13 der1 shows a cross section through an airfoil area 7 of a low-pressure steam-cooled turbine guide vane 1 with a varying outer wall thickness 34. A hot action fluid 2, in particular a hot gas, flows against the turbine vane 1 on the outer side 9 of the outer wall 4. For cooling, the turbine blade 1 in its interior, generally multi-part cavity 5, which is surrounded by the outer wall 4, flows through a cow vapor 6, namely a low pressure cow vapor. The cavity 5 is traversed in the longitudinal direction of the turbine blade 1 by inner walls 20, which traverse the blade profile in the direction from the pressure side 46 to the suction side 45 in such a way that several central cooling chambers 21 are created, in this case two, the inner walls 20 being connected to the pressure side or suction-side outer wall 4 are continuously connected to the continuous course of the thickness 34 of the outer wall 4. The central cooling chambers 21 have baffle insert 22, the walls of which are pierced by a large number of small baffle bores 23. The low-pressure cow steam is pressed through the impingement cooling holes 23 and onto the inside 13 of the
Außenwand 4 zu beschleunigt. Durch den schnellen Aufprall wird die Innenseite 13 der Außenwand 4 dann gleichmäßig intensiv gekühlt. Im Anstromkantenbereich 32 weist der Hohlraum 5 zwei Vorderkuhlkammern 31 auf, durch die ebenfalls Kuhldampf hindurchstromt und die Innenseite 13 der Außenwand 4 gekühlt wird. Die Kühlung erfolgt hier konvektiv.Outer wall 4 accelerated. Due to the rapid impact, the inside 13 of the outer wall 4 is then cooled uniformly intensively. In the leading edge area 32, the cavity 5 has two front cooling chambers 31, through which cow steam also flows and the inside 13 of the outer wall 4 is cooled. The cooling takes place here by convection.
Die Außenwand 4 ist gegebenenfalls mehrschichtig aufgebaut und weist eine Metallwand 3, außen bedarfsweise eine kerami- sehe Schutzschicht 15 und innenliegend eine Aluminiumlegierungsschicht 54 auf, wie in Fig.2 dargestellt. Die Metallwand 3, besitzt entlang eines Querschnitts durch den Schaufel- blattbereich 7 unterschiedliche Dicken 8. Die Dicke 8 der Metallwand 3 variiert kontinuierlich, d.h. ohne Sprunge bzw. stetig um keine Spannungsspitzen hervorzurufen, nach Maßgabe der externen Warmeubergangszahl Wex an der Außenseite 9 der Außenwand 4. Die Dicke 33 der keramischen Schutzschicht 15 ist annähernd konstant. Die Dicke 34 der Außenwand 4 variiert also ebenfalls mit der Dicke 8 der Metallwand 3. Die externe Warmeubergangszahl Wex ist durch die Große des Wärmeübergangs vom Heißgas 2 in die Außenwand 4 gegeben. Das Prinzip der Wärmeübertragung durch die Außenwand 4 ist in Fig.2 verdeutlicht. Der externe Wärmeübergang erfolgt mit einer lokal unterschiedlichen, durch die externe Warmeubergangszahl Wex angegebenen Große, woran die Dicke 8 der Metallwand 3 bzw. die Dicke 34 der Außenwand 4 angepaßt ist.The outer wall 4 is optionally constructed in multiple layers and has a metal wall 3, if necessary a ceramic protective layer 15 on the outside and an aluminum alloy layer 54 on the inside, as shown in FIG. The metal wall 3 has a cross section through the blade sheet area 7 different thicknesses 8. The thickness 8 of the metal wall 3 varies continuously, ie without cracks or continuously in order not to cause stress peaks, in accordance with the external heat transfer coefficient W ex on the outside 9 of the outer wall 4. The thickness 33 of the ceramic protective layer 15 is approximately constant. The thickness 34 of the outer wall 4 thus also varies with the thickness 8 of the metal wall 3. The external heat transfer number W ex is given by the size of the heat transfer from the hot gas 2 into the outer wall 4. The principle of heat transfer through the outer wall 4 is illustrated in Fig.2. The external heat transfer takes place with a locally different size, indicated by the external heat transfer number W ex , to which the thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 is adapted.
Die Dicke 34 der Außenwand 4 bzw. der Dicke 8 der Metallwand 3 ist erfindungsgemaß zudem auch nach Maßgabe der internen Warmeubergangszahl Wιnt an der Innenseite 13 der Außenwand 4 eingestellt. Auf die interne Warmeubergangszahl Wιnt haben die Art und die physikalischen Parameter des Kuhlfluids 6 einen entscheidenden Einfluß. Auch durch den Aufbau des Hohlraums 5 an der Innenseite 13 der Außenwand 4, beispielsweise durch Rippen 16, kann die interne Warmeubergangszahl Wιnt verändert werden.The thickness 34 of the outer wall 4 or the thickness 8 of the metal wall 3 is also set according to the invention in accordance with the internal heat transfer number W ιnt on the inside 13 of the outer wall 4. The type and the physical parameters of the cooling fluid 6 have a decisive influence on the internal heat transfer number W ιnt . The internal heat transfer number W ιnt can also be changed by the construction of the cavity 5 on the inside 13 of the outer wall 4, for example by means of ribs 16.
Der Hohlraum 5 weist Rippen 16 in den Bereichen 14 der Außenwand 4 auf, die besonders dünn sind oder die besonders starken Belastungen unterworfen sind und somit stabilisiert werden müssen. Rippen 16 sind beispielsweise auf beiden Innen- Seiten 13 der Außenwand 4 einer mit Prallkühleinsatzen 22 versehenen Mittelkuhlkammer 21 quer zur Strömung 18 des Kuhlfluids 6 verlaufend angebracht. Die mittlere Mittelkuhlkammer 21 weist lediglich auf der Innenseite 13 der Außenwand 4 an der Saugseite 45 der Turbinenleitschaufel 1 Rippen 16 auf, an der Druckseite 46 hingegen nur Abstandshalter 44, die denThe cavity 5 has ribs 16 in the areas 14 of the outer wall 4 which are particularly thin or which are subjected to particularly heavy loads and therefore have to be stabilized. Ribs 16 are mounted, for example, on both inner sides 13 of the outer wall 4 of a central cooling chamber 21 provided with impingement cooling inserts 22, running transverse to the flow 18 of the cooling fluid 6. The middle center cooling chamber 21 has only ribs 16 on the inside 13 of the outer wall 4 on the suction side 45 of the turbine guide vane 1, on the other hand only spacers 44 on the pressure side 46, which the
Prallkuhleinsatz 22 in Position halten. An einigen der Rippen 16 sind ebenfalls Abstandshalter 44 für die Positionierung des Prallkuhleinsatzes 22 vorhanden.Hold the baffle insert 22 in position. On some of the ribs 16 there are also spacers 44 for positioning the baffle insert 22.
Die Rippen 16 weisen vorbestimmte Maße auf, wie die Dicke 37, die Hohe 41, ihren Fußradius 39, ihren Kopfradius 40, ihre mittragende Breite 38 sowie raumliche Anordnungen, die besonders geeignet sind, zur Verwirbelung der Kuhlfluidstromung 18 beizutragen beziehungsweise eine ausreichende Kuhloberfläche an der Innenseite 13 der Außenwand 4 zu liefern. Eine DarStellung findet sich in Fig.5 bzw. 6. Eine gute Verwirbelung ist insbesondere dann gegeben, wenn die Rippen 16, die in Rippenfeldern angeordnet sind, die quer zur Stromungsrichtung 18 des Kuhlfluids 6 liegen.The ribs 16 have predetermined dimensions, such as the thickness 37, the height 41, their base radius 39, their head radius 40, their load-bearing width 38 and spatial arrangements which are particularly suitable for contributing to the swirling of the cooling fluid flow 18 or a sufficient cooling surface on the To deliver inside 13 of the outer wall 4. A representation can be found in FIGS. 5 and 6, respectively. A good swirl is given in particular when the ribs 16, which are arranged in rib fields, lie transversely to the direction of flow 18 of the cooling fluid 6.
Die Dicke 8 der Metallwand 3 bzw. die Dicke 34 der Außenwand 4 bewegt sich zwischen annähernd 0,6 mm bis 1,0 mm im Hinterkantenbereich 36 bis zu annähernd 2 mm im Druckbereich 46. Die Änderungen zwischen den einzelnen Dickenbereichen, die durch Innenwände 20 abgegrenzt sind, weisen zur Verminderung von Spannungsspitzen kontinuierliche Übergänge 10 auf, berechnet beispielsweise mittels einer linearen Interpolation zwischen den unterschiedlichen Solldicken.The thickness 8 of the metal wall 3 or the thickness 34 of the outer wall 4 ranges from approximately 0.6 mm to 1.0 mm in the rear edge region 36 to approximately 2 mm in the pressure region 46. The changes between the individual thickness regions caused by inner walls 20 are delimited, have continuous transitions 10 to reduce voltage peaks, calculated for example by means of a linear interpolation between the different target thicknesses.
Fig.2 zeigt schematisch die Wärmeübertragung von einem Akti- onsfluid 2 auf eine Kühlfluid 6 über eine Außenwand 4 und ein schematisches Profil der Temperatur T. Die Außenwand 4 der Dicke 34 ist mehrschichtig aufgebaut. Sie weist eine außenliegende keramische Schutzschicht 15 der Dicke 33, eine tragende Metallwand 3 der Dicke 8 auf. Im Hohlraum 5 und insbe- sondere an der Innenseite 13 der Außenwand 4 ist optional eine Aluminisierungsschicht 54 gegen Korrosion vorgesehen. Die Beschichtung 54 kann sehr dünn ausgebildet sein. Ist die Beschichtung 54 nicht angebracht, liegt die Innenseite 13 der Außenwand 4 gleich mit der Innenseite 12 der Metallwand.2 shows schematically the heat transfer from an action fluid 2 to a cooling fluid 6 via an outer wall 4 and a schematic profile of the temperature T. The outer wall 4 of the thickness 34 is constructed in several layers. It has an external ceramic protective layer 15 with a thickness of 33 and a load-bearing metal wall 3 with a thickness of 8. An aluminization layer 54 against corrosion is optionally provided in the cavity 5 and in particular on the inside 13 of the outer wall 4. The coating 54 can be made very thin. If the coating 54 is not applied, the inside 13 of the outer wall 4 is identical to the inside 12 of the metal wall.
Das außen anströmende heiße Aktionsfluid 2 besitzt eine gegenüber der Außenwand 4 erhöhte Temperatur T. An der Außen- seite 9 der keramischen Schutzschicht 15 findet ein Wärmeübergang auf die Außenwand 4 statt. Der externe Wärmeübergang ist gekennzeichnet durch die externe Warmeubergangszahl Wex, deren Große angibt, wie stark Warme auf die Außenwand 4 übergeht. Der lokale Wärmeübergang zwischen Aktionsfluid 2 und der Außenwand 4 weist für verschiedene Außenwandabschnitte 14 des Schaufelblattbereichs 7 der Turbmenschaufel 1 verschiedene externe Warmeubergangskoefflzienten Wex auf und somit unterschiedliche Dicken 8 der Metallwand 3.The hot action fluid 2 flowing on the outside has a temperature T which is higher than that of the outer wall 4. Page 9 of the ceramic protective layer 15 there is heat transfer to the outer wall 4. The external heat transfer is characterized by the external heat transfer number W ex , the size of which indicates how strongly heat transfers to the outer wall 4. The local heat transfer between the action fluid 2 and the outer wall 4 has different external heat transfer coefficients W ex for different outer wall sections 14 of the airfoil area 7 of the turbine blade 1 and thus different thicknesses 8 of the metal wall 3.
Nach Eintritt der Warme in die Außenwand 4 erfolgt zunächst eine Warmeleitung durch die keramische Schutzschicht 15 und daraufhin durch die Metallwand 3. Die Warmeleitung der keramischen Schutzschicht 15 ist anders als die der Metallwand 3. Somit weist der Temperaturverlauf T am Übergang von der Innenseite 35 der keramischen Schutzschicht 15 auf die Außenseite 11 der Metallwand 3 eme Unstetigkeit auf. An der Innenseite 12 der Metallwand 3, die in diesem Fall mit der Innenseite 13 der Außenwand 4 übereinstimmt, tritt die Warme aus der Außenwand 4 aus, was durch den internen Warmeubergangskoeffizienten Wιnt beschrieben wird. An der Innenseite 13 nimmt das innen vorbeistromende Kühlfluid 6 die Warme mit. Der Temperaturverlauf T zeigt in diesem Bereich einen starken Abfall.After the heat has entered the outer wall 4, there is first a heat conduction through the ceramic protective layer 15 and then through the metal wall 3. The heat conduction of the ceramic protective layer 15 is different from that of the metal wall 3. Thus, the temperature profile T at the transition from the inside 35 has ceramic protective layer 15 on the outside 11 of the metal wall 3 eme discontinuity. On the inside 12 of the metal wall 3, which in this case corresponds to the inside 13 of the outside wall 4, the heat emerges from the outside wall 4, which is described by the internal heat transfer coefficient W ιnt . On the inside 13, the cooling fluid 6 flowing past takes the heat with it. The temperature curve T shows a sharp drop in this area.
In dem Bereich des Übergangs von der keramischen Schutzschicht 15 auf die Metallwand 3 ist ein Temperaturschwellenwert TM definiert, der charakteristisch für die Temperaturbeständigkeit der Außenwandmaterials ist, u.a. für die Haftqua- litat der keramischen Schutzschicht 15 auf der Metallwand 3. Zwischen der maximaler Metalltemperatur </= TM und der Temperatur an der Innenseite 12 der Metallwand 3 ist ein Temperaturgradient ΔTM definiert. Er ist ein Maß für Temperaturunterschiede und somit auch für die Spannungsbelastung der Außenwand 4. Durch die erfmdungsgemaße Einstellung der Dicke 8 der Metallwand 3 wird erreicht, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand 4 vorbestimmte Temperatur- Schwellenwerte TM und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten ΔTM zwischen der Außenseite 11 der Metallwand 3 und der Innenseite 12 der Metallwand 3, also vorbestimmten Stellen der Außenwand 4, nicht überschritten werden. Dies stellt sicher, daß die Außenwand 4 der Turbmenschaufel 1 nicht übermäßig belastet wird, die keramische Schutzschicht 15 besser auf der Metallwand 3 haftet, keine Oxidation auftritt und somit ein dauerhafter Einsatz der Turb enschaufel 1 möglich ist. Für eme Ziellebensdauer der Schaufel von mindestens 25000 aqui- valenten Betriebsstunden oder zirka 1000 Normallastzyklen gilt für aktuelle Schaufelwerkstoffe bzw. Betriebs-Lastkol- lektive, daß der vorbestimmte Temperaturschwellenwert TM bei annähernd 930 °C bis 950 °C liegt und der vorbestimmte Temperaturgradient ΔTM bei annähernd 200 bis 220 °C bzw. bei an- nähernd 260 bis 290 °C über der Metallwanddicke 8 betragt.In the area of the transition from the ceramic protective layer 15 to the metal wall 3, a temperature threshold value T M is defined which is characteristic of the temperature resistance of the outer wall material, inter alia for the adhesive quality of the ceramic protective layer 15 on the metal wall 3. Between the maximum metal temperature < / = T M and the temperature on the inside 12 of the metal wall 3, a temperature gradient ΔT M is defined. It is a measure of temperature differences and thus also of the voltage load on the outer wall 4. By setting the thickness 8 of the metal wall 3 according to the invention, it is achieved that at least at predetermined locations on the outer wall 4, predetermined temperature Threshold values T M and / or predetermined temperature gradients ΔT M between the outer side 11 of the metal wall 3 and the inner side 12 of the metal wall 3, that is to say predetermined locations of the outer wall 4, are not exceeded. This ensures that the outer wall 4 of the turbine blade 1 is not excessively loaded, the ceramic protective layer 15 adheres better to the metal wall 3, no oxidation occurs and thus a permanent use of the turbine blade 1 is possible. For a target blade lifespan of at least 25,000 equivalent operating hours or approximately 1000 normal load cycles for current blade materials or operational load spectra, the predetermined temperature threshold value T M is approximately 930 ° C to 950 ° C and the predetermined temperature gradient ΔT M at approximately 200 to 220 ° C or at approximately 260 to 290 ° C above the metal wall thickness 8.
Fig.3 zeigt eme Aufsicht auf den Fußbereich 26 einer Turbi- nenschaufel entsprechend Fig.l. Der Fußbereich 26 weist einen Einlaß 27 und einen Auslaß 28 für das Kühlfluid 6 auf. Sche- matisch ist die Lage des Schaufelblattbereichs 7 relativ zum Fußbereich 26 der Turbmenschaufel 1 angedeutet. Das Kühlfluid 6 durchströmt die Turbmenschaufel 1 in Mittelkuhlkam- mern 21 mit Prallkuhlemsatzen 22 und konvektiv in Vorderkuhlkammern 31 im Anstromkantenbereich 32. An der Hinterkante 36 der Turbmenschaufel 1 ist eme Zusatzkuhlung 56 vorgesehen, bei der es sich vorzugsweise um eme seperate, geschlossene Dampfkuhlung handelt.3 shows a plan view of the foot region 26 of a turbine blade in accordance with FIG. 1. The foot region 26 has an inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6. The position of the airfoil area 7 relative to the foot area 26 of the turbine blade 1 is indicated schematically. The cooling fluid 6 flows through the turbine blade 1 in central cooling chambers 21 with impingement cooling elements 22 and convectively in front cooling chambers 31 in the leading edge region 32. On the rear edge 36 of the turbine blade 1 there is provided an additional cooling 56, which is preferably a separate, closed steam cooling.
Fig.4 zeigt eme Seitenansicht mit einem Fließschema des Kuhlfluids 6. Nach dem Einlaß 27 des Kuhlfluids 6 m den Fußbereich 26 der Turbmenschaufel 1 durchströmt das Kühlfluid 6 in einem abgezweigten Kuhlfluidteilstrom 47 den H terkanten- bereich 36 der Turbmenschaufel 1. Ein anderer abgezweigter Kuhlfluidteilstrom 48 durchströmt eme Vorderkuhlkammer 31 im Anstromkantenbereich 32. Nach Verlassen des Schaufelblattbereichs 7 durchlauft das Kühlfluid 6 den Kopfbereich 25 der Turbmenschaufel 1. Daraufhin durchströmt es zunächst die auf der Saugseite 45 liegende Vorderkuhlkammer 31 und nach einer Umleitung die auf der Druckseite liegende, benachbarte Vorderkuhlkammer 31 bis zum Auslaß 28 im Fußbereich 26.4 shows a side view with a flow diagram of the cooling fluid 6. After the inlet 27 of the cooling fluid 6 m, the foot region 26 of the turbine blade 1, the cooling fluid 6 flows in a branched cooling fluid partial flow 47 through the rear edge region 36 of the turbine blade 1. Another branched cooling fluid partial flow 48 flows through a front cooling chamber 31 in the leading edge area 32. After leaving the airfoil area 7, the cooling fluid 6 flows through the head area 25 of the turbine blade 1. Thereupon, it first flows through the the front cooling chamber 31 located on the suction side 45 and, after a diversion, the adjacent front cooling chamber 31 lying on the pressure side up to the outlet 28 in the foot region 26.
Ein weiterer, vom zugefuhrten Kühlfluid 6 abgezweigter Kuhl- fluidteilstrom 49 durchströmt eme erste Mittelkuhlkammer 21, die einen Prallkuhleinsatz 22 aufweist. Nach Durchgang durch den Kopfbereich 25 durchströmt das Kühlfluid 6 seriell die zweite Kuhlkammer 21, die ebenfalls einen Prallkühleinsatz 22 aufweist, in umgekehrter Richtung wie die erste. Nach Erreichen des Fußbereichs 26 der Turbinenschaufel 1 werden die verschiedenen Strome zusammengeleitet und durch den Auslaß 28 aus der Turbinenschaufel 1 entlassen. Das Kühlfluid 6 wird zugleich zum Durchströmen des Schaufelblattbereichs 7 und des Kopf- 25 und des Fußbereichs 26 benutzt. Es ist lediglich ein einziger geschlossener Kreislauf für das Kühlfluid 6 notwendig, was die Handhabung vereinfacht und die Herstellungskosten verringert.Another cooling fluid partial flow 49, branched off from the supplied cooling fluid 6, flows through a first central cooling chamber 21 which has an impact cooling insert 22. After passing through the head region 25, the cooling fluid 6 flows serially through the second cooling chamber 21, which also has an impact cooling insert 22, in the opposite direction to the first. After reaching the root region 26 of the turbine blade 1, the various streams are brought together and released from the turbine blade 1 through the outlet 28. The cooling fluid 6 is also used to flow through the airfoil region 7 and the head region 25 and the foot region 26. Only a single closed circuit for the cooling fluid 6 is necessary, which simplifies handling and reduces the manufacturing costs.
Der Kopf- 25 und der Fußbereich 26 sind mittels einfacherThe head area 25 and the foot area 26 are simple
Schweiß- oder Lotverbindungen 24 an dem Schaufelblattbereich 7 der Turbinenschaufel 1 befestigt bzw. mit Abschlußplaten 17 verschlossen. Diese einfache Art der Befestigung ist aufgrund des einfachen Aufbaus des Hohlraums 5 möglich. In dem Kopf- 25 und Fußbereich 26 können zur Unterstützung der Kühlwirkung des Kuhlfluids 6 Prallkuhleinsatze 22 untergebracht sein, was nicht dargestellt ist.Welded or soldered connections 24 are attached to the airfoil area 7 of the turbine blade 1 or closed with end plates 17. This simple type of attachment is possible due to the simple construction of the cavity 5. To support the cooling effect of the cooling fluid 6, baffle insert 22 can be accommodated in the head 25 and foot region 26, which is not shown.
Fig.5 zeigt in einem vergrößernden Schnitt schematisch Rippen 16, die zur Verstärkung der ausgedünnten Bereiche der Außenwand 4 eingesetzt sind. Die Aufsicht auf die Rippen 16 aus Fig.l erfolgt in Querrichtung, so daß nur Rippen 16 quer zur Stromungsrichtung des Kuhlfluids 6 sichtbar sind. Entlang einer Rippe 16 sind Rippenqueroffnungen 19 vorbestimmter Maße und Abstände angebracht, wie in Fig. 1 und Fig.7 dargestellt. Sie dienen dem Queraustausch und der zusatzlichen Verwirbelung des Kuhlfluids 6, wodurch die Kuhlwirkung des Kuhlfluids 6 verbessert wird. Variiert werden kann hierbei beispielsweise die Hohe 42 der Rippenqueroffnungen 19 sowie ihr Abstand 52 vom Kopf 50 der Rippe 16, s. Fig.6, wie auch der Abstand 43 der Rippenqueroffnungen 19. Bei der Abstimmung des Rippenfeldes auf die Anforderungen aufgrund der eingestellten Dicke 34 der Außenwand 4 können die oben genannten Maße, Abstände und raumlichen Anordnungen in bestimmten Grenzen verändert werden. Die Grenzen sind einerseits dadurch bestimmt, daß eine gute Kühlung erhalten werden muß, anderseits soll eine ausreichende Stabilität der nach Maßgabe der Warmeuber- gangszahlen lokal mit einer geringen Dicke ausgebildeten Außenwand 4 gegeben sein. Für letztere ist es notwendig, die Rippen 16 enger anzuordnen, andererseits dürfen sie nicht zu eng sein, so daß das Kühlfluid 6 nicht lediglich über sie hmwegstromt und möglicherweise nicht verwirbelt wird. Die5 shows, in an enlarged section, schematically ribs 16 which are used to reinforce the thinned areas of the outer wall 4. The ribs 16 from FIG. 1 are viewed in the transverse direction, so that only ribs 16 are visible transversely to the flow direction of the cooling fluid 6. Cross rib openings 19 of predetermined dimensions and spacings are provided along a rib 16, as shown in FIGS. 1 and 7. They serve for the cross exchange and the additional swirling of the cooling fluid 6, as a result of which the cooling effect of the cooling fluid 6 is improved. For example, the height 42 of the cross rib openings 19 and their distance 52 from the head 50 of the rib 16, see, can be varied. 6, as well as the spacing 43 of the rib cross openings 19. When the rib field is matched to the requirements due to the set thickness 34 of the outer wall 4, the dimensions, spacings and spatial arrangements mentioned above can be changed within certain limits. The limits are determined on the one hand by the fact that good cooling must be obtained, and on the other hand there should be sufficient stability of the outer wall 4 which is locally formed with a small thickness in accordance with the heat transfer numbers. For the latter, it is necessary to arrange the fins 16 closer, on the other hand they must not be too narrow, so that the cooling fluid 6 is not only flowed over them and may not be swirled. The
Hohe 41 der Rippen 16 betragt ungefähr das Ein- bis Zweifache der Außenwanddicke 34. Die mittragende Breite 38 der Rippen 16 betragt ungefähr das Vierfache der Dicke 34 der Außenwand 4. In den Bereichen der Anstromkante 32 befinden sich vor- zugsweise keine Rippen beziehungsweise mur konventionelle Turbulatoren wie auch im Hinterkantenbereich 36.The height 41 of the ribs 16 is approximately one to two times the outer wall thickness 34. The load-bearing width 38 of the ribs 16 is approximately four times the thickness 34 of the outer wall 4. In the areas of the leading edge 32 there are preferably no ribs or conventional ones Turbulators as well as in the rear edge area 36.
Fig.6 zeigt eine beispielhafte Anordnung von Rippenqueroff- nungen 19. Sie weisen eine längliche ovale Form auf. Sie be- wirken einen Queraustausch und eine Verwirbelung der vorbei- stromenden Kuhlfluids 6, wobei sie jedoch so beabstandet angeordnet sind, daß sie die Stabilität der Rippen 16 nicht beeinträchtigen, die zur Stabilisierung der dünnen Außenwandbereiche 14 dienen.FIG. 6 shows an exemplary arrangement of cross rib openings 19. They have an elongated oval shape. They effect a transverse exchange and swirling of the cooling fluids 6 flowing past, but they are arranged so spaced that they do not impair the stability of the ribs 16, which serve to stabilize the thin outer wall regions 14.
Fig.7 zeigt einen Schnitt durch einen Schaufelblattbereich 7 einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel 1 mit variierender Außenwanddicke 34. Der von der Außenwand 4 umgebene Hohlraum 5 weist sechs Kuhlkammern 21 auf, zwei Vorder- kuhlkammern 31 im Bereich der Anstromkante 32 sowie eine Hinterkühlkammern 53 im Hinterkantenbereich 36. Die sechs Mittelkuhlkammern 21 sind durch Innenwände 20 voneinander ge- trennt. Die Mittelkuhlkammern 21 weisen etwa gleiche Stro- mungsquerschnitte auf. Sie sind nach einem in Fig.3 dargestellten Fließschema seriell von dem Kuhldampf 6 durchströmt. Die Wanddicke 8 der Metallwand 3 variiert über den Umfang von annähernd 1 bis 2,2 mm, nach demselben Prinzip, wie bereits bei der niederdruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel beschrieben, d.h. zum Ausgleich der sich über der Querschnitt des Schaufelblatts 7 ändernden Warmeubergangszahlen Wex, Wιnt- Die Übergänge zwischen Bereichen 14 unterschiedlichen Wand- dicken 8 sind jeweils kontinuierlich, entsprechend den Bereichen 10, ausgeführt, das heißt stetig, vorzugsweise linear oder mittels anderer Funktionen interpoliert.7 shows a section through an airfoil area 7 of a medium-pressure-steam-cooled turbine guide vane 1 with a varying outer wall thickness 34. The cavity 5 surrounded by the outer wall 4 has six cooling chambers 21, two front cooling chambers 31 in the area of the leading edge 32 and a rear cooling chamber 53 in the rear edge area 36 The six central cooling chambers 21 are separated from one another by inner walls 20. separates. The central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections. According to a flow diagram shown in FIG. 3, the cow vapor 6 flows through them in series. The wall thickness 8 of the metal wall 3 varies over the circumference from approximately 1 to 2.2 mm, according to the same principle as already described for the low-pressure steam-cooled turbine guide vane, ie to compensate for the heat transfer numbers W ex , W ιnt that change over the cross section of the airfoil 7. The transitions between areas 14 of different wall thicknesses 8 are each continuous, corresponding to areas 10, that is to say continuous, preferably linear or interpolated by means of other functions.
Die Turbinenschaufel 1 weist an der gesamten Innenseite 13 der Außenwand 4, ausgenommen dem Hinterkantenbereich 36, Rippenfelder auf, die zur Unterstützung der ausgedünnten Außenwand 4 dienen. Der Mitteldruckdampf weist gegenüber dem Niederdruckdampf einen nahezu doppelt so großen Druck auf (annähernd 30 bar gegenüber annähernd 15 bar) . Somit ist die In- nendruckbelastung der Außenwand 4 wesentlich starker und ein Hinzufugen von weiteren Rippenfeldern vonnoten. Vorteilhaft ist dabei jedoch, daß der Mitteldruckdampf einen verbesserten Warmeabtransport und damit gunstigere interne Warmeubergangszahlen Wιnt gewahrleistet. Die Rippen 16 weisen wiederum vor- bestimmte Abstände und Dimensionen auf und sind mit Querstro- mungsoffnungen 19 ausgestattet. Die Rippen 16 liegen im wesentlichen quer zur Stromungsrichtung 18, die parallel zur radialen Achse des Schaufelblatts 7 erfolgt.The turbine blade 1 has rib fields on the entire inside 13 of the outer wall 4, with the exception of the trailing edge region 36, which serve to support the thinned outer wall 4. The medium pressure steam is almost twice as large as the low pressure steam (approximately 30 bar compared to approximately 15 bar). Thus, the internal pressure load on the outer wall 4 is significantly stronger and additional rib fields are added. Advantageous here, however, that the medium pressure steam ensured an improved heat removal and thus more favorable internal heat transition figures W ιnt. The ribs 16 in turn have predetermined distances and dimensions and are equipped with cross-flow openings 19. The ribs 16 lie essentially transversely to the flow direction 18, which is parallel to the radial axis of the airfoil 7.
Der Kuhlmassenfluß kann durch Hinzufügen oder Weglassen vonThe cooling mass flow can be added or omitted
Stromungswiderstanden 51, die in Fig. 4 nur schematisch angedeutet sind, so eingestellt werden, daß ein gewünschter Kuhlstrom und ein interner Wärmeübergang bzw. Warmeubergangszahl Wιnt eintritt, der an die variierende Wanddicke 34 der Außenwand 4 angepaßt ist. Fig.8 zeigt eine Aufsicht auf einen Fußbereich 26 einer mitteldruckdampfgekühlten Turbmenschaufel aus Fig.7 mit einem Einlaß 27 und einem Auslaß 28 für das Kühlfluid 6.Current resistances 51, which are only indicated schematically in FIG. 4, are set such that a desired cooling current and an internal heat transfer or heat transfer number W ιnt occurs, which is adapted to the varying wall thickness 34 of the outer wall 4. 8 shows a plan view of a foot region 26 of a medium-pressure-steam-cooled turbine blade from FIG. 7 with an inlet 27 and an outlet 28 for the cooling fluid 6.
Fig.9 zeigt einen Längsschnitt einer mitteldruckdampfgekühlten Turbmenschaufel nach Fig.7 mit einem Fuß- 26, einem Schaufelblatt- 7 und einem Kopfbereich 25 und ein Fließschema des Mitteldruckkuhldampfes . Die Mittelkuhlkammern 21 werden seriell und die Vorder- 31 und die Hinterkuhlkammer teilweise parallel vom Kühlfluid 6 durchströmt. Der Fuß- 26 und der Kopfbereich 25 sind an den Schaufelblattbereich 7 angeschweißt oder angelotet. Sie werden durch einen geschlossenen Kreislauf mit demselben Kühlfluid 6 gekühlt wie der Schaufelblattbereich 7. Dies verringert die benotigte Kuhlmittelmenge und vereinfacht den Aufbau des Hohlraums 5 beziehungsweise der Innenraume des Kopf- 25 und Fußbereichs 26.FIG. 9 shows a longitudinal section of a medium-pressure-steam-cooled turbine blade according to FIG. 7 with a foot region 26, an airfoil 7 and a head region 25 and a flow diagram of the medium-pressure cow steam. The cooling medium 6 flows through the central cooling chambers 21 in series and the front 31 and the rear cooling chambers partially parallel. The foot region 26 and the head region 25 are welded or soldered to the airfoil region 7. They are cooled by a closed circuit with the same cooling fluid 6 as the airfoil area 7. This reduces the amount of coolant required and simplifies the construction of the cavity 5 or the interior of the head and foot area 26.
Fig.10 zeigt eine Schemazeichnung des Kuhlmittelflusses durch eine mitteldruckdampfgekühlte Turbinenschaufel aus Fig.7. In dem Einlaßbereich 27 können verschiedene Stromungswiderstande 51 in unterschiedliche Kuhlkammern 21 gelegt werden, so daß der Teilmassenstrome des Kuhlfluids 6 eingestellt werden können. Ein vergrößerter Massenstrom bewirkt eine vergrößerte Kuhlwirkung, aber auch erhöhte Druckverluste.10 shows a schematic drawing of the coolant flow through a medium-pressure-steam-cooled turbine blade from FIG. 7. Different flow resistors 51 can be placed in different cooling chambers 21 in the inlet area 27, so that the partial mass flows of the cooling fluid 6 can be adjusted. An increased mass flow causes an increased cooling effect, but also increased pressure losses.
Fig.11 zeigt eine Schemazeichnung einer mitteldruckdampfgekühlten Turbinenleitschaufel. Der Hohlraum 5 weist fünf Mtteilkuhlkammern 21, der vordere Bereich 32 zwei Vorderkuhlkammern 31 und der hintere Bereich 36 eine Hinterkuhlkammer 53 auf. Die Mittelkuhlkammern 21 haben etwa gleiche Stro- mungsquerschnitte, die Wanddicke 8 der Außenwand 4 ist nahezu konstant. Aufgrund der ausreichenden Versteifung durch die Innenwände 20 sind keine Rippen 16 notwendig.11 shows a schematic drawing of a medium-pressure steam-cooled turbine guide vane. The cavity 5 has five partial cooling chambers 21, the front region 32 two front cooling chambers 31 and the rear region 36 a rear cooling chamber 53. The central cooling chambers 21 have approximately the same flow cross sections, the wall thickness 8 of the outer wall 4 is almost constant. Due to the sufficient stiffening by the inner walls 20, no ribs 16 are necessary.
Fig.12 zeigt ein Fließschema der Turbmenschaufel aus Fig. 11. FIG. 12 shows a flow diagram of the turbine blade from FIG. 11.

Claims

Patentansprüche claims
1. Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel , die eine von einem heißen Aktionsfluid (2) angeströmte Außenwand (4) hat, die einen gegebenenfalls mehrteiligen Hohlraum (5) umgibt, der von einem Kühlfluid (6) durchströmt ist, wobei die Außenwand (4) ber den Umfang des Schaufelblattbereichs (7) der Turbinenschaufel (1) unterschiedlich dick ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dicke (34) der Außenwand (4) zumindest über einen Teilumfang des Schaufelblattbereichs (7) nach Maßgabe des Verlaufs der externen Warmeubergangszahl (Wex) an der Außenseite (9) der Außenwand (4) und des Verlaufs der internen Warmeubergangszahl (Wιnt) an der Innenseite (13) der Außenwand (4) kontinuierlich so verlauft, daß vorbestimmte Temperaturschwellenwerte (TM) an der Außenwand (4) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) über der Außenwand (4) zwischen vorbestimmten Stellen der Außenwand (4) nicht überschritten werden.1. A turbine blade (1), in particular a gas turbine blade, which has an outer wall (4) against which a hot action fluid (2) flows, which surrounds a possibly multi-part cavity (5) through which a cooling fluid (6) flows, the outer wall ( 4) over the circumference of the airfoil area (7) of the turbine blade (1) is of different thickness, characterized in that the thickness (34) of the outer wall (4) at least over a partial circumference of the airfoil area (7) in accordance with the course of the external heat transfer number (W ex ) on the outside (9) of the outside wall (4) and the course of the internal heat transfer number (W ιnt ) on the inside (13) of the outside wall (4) so that predetermined temperature threshold values (T M ) on the outside wall (4 ) and / or predetermined temperature gradients (ΔT M ) over the outer wall (4) between predetermined locations of the outer wall (4) are not exceeded.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Außenwand (4) mehrschichtig aufgebaut ist und außen an der Außenwand (4) eme dünne keramische Schutzschicht (15) und innen eine Metallwand (3) aufweist und daß derjenige Temperaturgradient (ΔTM) maßgeblich ist, der zwischen der Außenseite (11) und der Innenseite (12) der Metallwand (3) anliegt .2. Turbine blade according to claim 1, characterized in that the outer wall (4) is constructed in multiple layers and on the outside of the outer wall (4) has a thin ceramic protective layer (15) and inside a metal wall (3) and that the temperature gradient (ΔT M ) is decisive , which lies between the outside (11) and the inside (12) of the metal wall (3).
3. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Temperaturschwellenwert (TM) an der gesamten Außenwand (4) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) über der gesamten Außenwand (4) nicht überschritten werden. 3. Turbine blade according to one of claims 1 to 3, characterized in that the temperature threshold (T M ) on the entire outer wall (4) and / or predetermined temperature gradients (ΔT M ) over the entire outer wall (4) are not exceeded.
4. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Temperaturschwellenwert (TM) und der Temperaturgradient (ΔTM) kritischen, Werkstoff- und spannungsabhangigen Wer- ten entsprechen.4. Turbine blade according to one of claims 1 to 4, characterized in that the temperature threshold value (T M ) and the temperature gradient (ΔT M ) correspond to critical, material and voltage-dependent values.
5. Turbinenschaufel nach Anspruch 3 oder 4 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Außenwand einschichtig ist und aus Metall besteht.5. Turbine blade according to claim 3 or 4 d a d u r c h g e k e n n e e c h n e t that the outer wall is one layer and consists of metal.
6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Hohlraum (5) em Feld aus Rippen (16) dort vorgesehen ist, wo ein Außenwandbereich (14) geringerer Dicke (34) vor- liegt.6. Turbine blade according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that in the cavity (5) em field of ribs (16) is provided where there is an outer wall region (14) of smaller thickness (34).
7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rippen (16) des Felds nach Maßgabe der Dicke (34) der Außenwand (4), des Temperaturschwellenwerts (TM) und/oder des Temperaturgradienten (ΔTM) und der von Mises-Ver- gleichsspannung vorbestimmte Maße, Abstände und raumliche Anordnungen aufweisen.7. Turbine blade according to claim 6, characterized in that the ribs (16) of the field in accordance with the thickness (34) of the outer wall (4), the temperature threshold (T M ) and / or the temperature gradient (ΔT M ) and that of Mises-Ver - DC voltage have predetermined dimensions, distances and spatial arrangements.
8. Turbinenschaufel nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Feld der Rippen (16) zumindest abschnittsweise quer zur Strömung (18) des Kuhlfluids (6) verlauft.8. Turbine blade according to claim 6 or 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the field of the ribs (16) extends at least in sections transversely to the flow (18) of the cooling fluid (6).
9. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rippen (16) Queroffnungen (19) aufweisen.9. Turbine blade according to one of claims 6 to 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the ribs (16) have transverse openings (19).
10. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der10. Turbine blade according to one of claims 1 to 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the
Hohlraum (5) von der Druckseite (46) zur Saugseite (45) in Längsrichtung der Turbinenschaufel (1) von Innenwanden (20) durchzogen ist, wobei die Innenwände (20) an die druckseitige bzw. saugseitige Außenwand (4) unter kontinuierlichem Verlauf an den kontinuierlichen Verlauf der Dicke (34) der Außenwand (4) angeschlossen sind.Cavity (5) from the pressure side (46) to the suction side (45) in the longitudinal direction of the turbine blade (1) from the inner walls (20) is pulled through, the inner walls (20) being connected to the pressure-side or suction-side outer wall (4) with a continuous course to the continuous course of the thickness (34) of the outer wall (4).
11. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlraum (5) mit einer Aluminisierungsschicht (54) versehen ist.11. Turbine blade according to one of claims 1 to 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the cavity (5) is provided with an aluminizing layer (54).
12. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kühlfluid (6) in einem geschlossenen Kreislauf durch die Turbinenschaufel (1) geführt wird.12. Turbine blade according to one of claims 1 to 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the cooling fluid (6) is guided in a closed circuit through the turbine blade (1).
13. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Einlaß (27) und der Auslaß (28) des Kuhlfluids (6) im Fußbereich (26) angeordnet sind.13. Turbine blade according to one of claims 1 to 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the inlet (27) and the outlet (28) of the cooling fluid (6) are arranged in the foot region (26).
14. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kopf- (25) und Fußbereich (26) der Turbinenschaufel (1) zugleich mit dem Kühlfluid (6) des Schaufelblattbereichs (7) gekühlt wird.14. Turbine blade according to one of claims 1 to 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the head (25) and foot region (26) of the turbine blade (1) is simultaneously cooled with the cooling fluid (6) of the airfoil region (7).
15. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Turbinenschaufel (1) eine Laufschaufel ist und die Wand- dicken (30) der Innenwände (20) im Hohlraum (5) nach Maßgabe einer lokalen Wärmeübergangszahl lokal variieren.15. Turbine blade according to one of claims 1 to 14, so that the turbine blade (1) is a moving blade and the wall thicknesses (30) of the inner walls (20) in the cavity (5) vary locally in accordance with a local heat transfer coefficient.
16. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Mittelbereich (55) des Schaufelblattbereichs (7) von In-«, nenwänden (20) gebildete Mittelkühlkammern (21) vorgesehen sind, die seriell vom Kühlfluid (6) durchströmt sind. 16. Turbine blade according to one of claims 1 to 15, characterized in that in the central region (55) of the airfoil region (7) of inner «inner walls (20) formed central cooling chambers (21) are provided, through which cooling fluid (6) flows in series ,
17. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Mittelbereich (55) des Schaufelblattbereichs (7) von In- nenwänden (20) gebildete Mittelkuhlkammern (21) vorgesehen sind, die parallel vom Kühlfluid (6) durchströmt sind.17. Turbine blade according to one of claims 1 to 15, so that the central cooling chambers (21) formed in the middle region (55) of the airfoil region (7) by inner walls (20) and through which the cooling fluid (6) flows in parallel are provided.
18. Turbinenschaufel nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zu- mindest eine der Mittelkuhlkammern (21) einen Prallkuhleinsatz (22) mit nach außen gerichteten Prallkuhlbohrungen (23) aufweist, die mit Abstand von der Innenseite (13) der Außenwand (4) angeordnet und die vom Kühlfluid (6) durchströmt sind.18. Turbine blade according to claim 16 or 17, characterized in that at least one of the central cooling chambers (21) has an impact cooling insert (22) with outward directed impact cooling bores (23) which are spaced from the inside (13) of the outer wall (4) arranged and through which the cooling fluid (6) flows.
19. Turbinenschaufel nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Prallkuhleinsatz (22) von auf der Innenseite (13) der Außenwand (4) und/oder von auf der Innenwand (20) und/oder von auf Rippen (16) angebrachten Abstandshaltern (44) gehalten ist.19. Turbine blade according to claim 18, characterized in that the baffle insert (22) from on the inside (13) of the outer wall (4) and / or from on the inner wall (20) and / or from spacers (44) attached to ribs (16) ) is held.
20. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Hinterkante (36) der Turbinenschaufel (1) eine Zusatzkuhlung (56) vorhanden ist.20. Turbine blade according to one of claims 1 to 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that on the rear edge (36) of the turbine blade (1) there is an additional cooling (56).
21. Turbinenschaufel nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zusatzkuhlung (56) eme separate, geschlossene Dampfkuh- lung ist.21. Turbine blade according to claim 20, so that the additional cooling (56) is a separate, closed steam cooling.
22. Turbinenschaufel nach Anspruch 20 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zusatzkuhlung (56) eine Luftkühlung mit freiem Austritt ist . 22. Turbine blade according to claim 20, characterized in that the additional cooling (56) is air cooling with a free outlet.
23. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kühlfluid (6) Dampf ist.23. Turbine blade according to one of claims 1 to 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the cooling fluid (6) is steam.
24. Turbinenschaufel nach Anspruch 23 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Dampf ein Niederdruckdampf ist.24. Turbine blade according to claim 23, that the steam is a low-pressure steam.
25. Turbinenschaufel nach Anspruch 23 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Dampf ein Mitteldruckdampf ist.25. Turbine blade according to claim 23 that the steam is a medium pressure steam.
26. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Außenkontur der Turbinenschaufel (1) dem Verlauf einer aerodynamisch vorgegebenen Form entspricht und daß die Dicke (34) der Außenwand (4) zum Hohlraum (5) hin variiert .26. Turbine blade according to one of claims 1 to 25, so that the outer contour of the turbine blade (1) corresponds to the shape of an aerodynamically predetermined shape and that the thickness (34) of the outer wall (4) varies towards the cavity (5).
27. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mit einer Außenwand (4), die entlang eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich (7) der Turbinenschaufel (1) unterschiedlich dick ist, und mit den weiteren Merkmalen eines der Ansprü- ehe 1 bis 26, wobei das Verfahren ein Gußverfahren umfaßt, bei dem eine Gußform verwendet wird, die einen Gußkern enthält, zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gußform so andeordnet wird, daß der Profilverlauf der Außenkontur des Gußkerns der Differenz zwischen einem aerodynamisch vorgegebenen äußeren Profilverlauf eines Turbinenschaufelblatts (7) und einer Funktion entspricht, die nach Maßgabe des Verlaufs der externen Wärmeübergangs- zahl (Wex) an der Außenseite (9) der Außenwand (4) der Turbinenschaufel (1) und des Verlaufs der internen Wärmeübergangszahl (Wint) an der Innenseite (13) der Außenwand (4) der Turbinenschaufel (1) kontinuierlich so verläuft, daß zumindest an vorbestimmten Stellen der Außenwand (4) vorbestimmte Temperaturschwellenwerte (TM) und/oder vorbestimmte Temperaturgradienten (ΔTM) nicht überschritten werden. 27. A method for producing a turbine blade, in particular a gas turbine blade, with an outer wall (4) which has a different thickness along a cross section through the blade area (7) of the turbine blade (1), and with the further features of one of claims 1 to 26, wherein the method comprises a casting method, in which a casting mold is used, which contains a casting core, for producing a turbine blade according to the features of one of claims 1 to 26, characterized in that the casting mold is arranged so that the profile profile of the outer contour of the Cast iron core corresponds to the difference between an aerodynamically predetermined profile profile of a turbine airfoil (7) and a function which, depending on the profile of the external heat transfer coefficient (W ex ) on the outside (9) of the outer wall (4) of the turbine blade (1) and the course of the internal heat transfer coefficient (W int ) on the inside (13) of the outside and (4) the turbine blade (1) runs continuously such that predetermined temperature threshold values (T M ) and / or predetermined temperature gradients (ΔT M ) are not exceeded at least at predetermined points on the outer wall (4).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116796459A (en) * 2023-06-20 2023-09-22 东南大学溧阳研究院 A design method of radial turbine with splitter blades applied to turbocharger

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6742991B2 (en) * 2002-07-11 2004-06-01 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Turbine blade and gas turbine
EP1843007A1 (en) * 2006-04-06 2007-10-10 Siemens Aktiengesellschaft Turbine blade with separate closing element
US20160003071A1 (en) * 2014-05-22 2016-01-07 United Technologies Corporation Gas turbine engine stator vane baffle arrangement

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR981719A (en) * 1948-03-03 1951-05-30 Escher Wyss & Cie Const Mec Cooled hollow blade for gas or steam turbines
DE892698C (en) * 1943-05-21 1953-10-08 Messerschmitt Boelkow Blohm Air-cooled hollow blade, especially for gas and exhaust gas turbines
US3836283A (en) * 1972-05-08 1974-09-17 Nat Aerospace Lab Construction of axial-flow turbine blades
EP0392664A2 (en) * 1989-03-13 1990-10-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Cooled turbine blade and combined cycle power plant having gas turbine with this cooled turbine blade
US5320483A (en) 1992-12-30 1994-06-14 General Electric Company Steam and air cooling for stator stage of a turbine
US5472316A (en) * 1994-09-19 1995-12-05 General Electric Company Enhanced cooling apparatus for gas turbine engine airfoils
US5536143A (en) * 1995-03-31 1996-07-16 General Electric Co. Closed circuit steam cooled bucket
EP0814234A1 (en) * 1996-01-08 1997-12-29 Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha Stationary blade for gas turbine

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE892698C (en) * 1943-05-21 1953-10-08 Messerschmitt Boelkow Blohm Air-cooled hollow blade, especially for gas and exhaust gas turbines
FR981719A (en) * 1948-03-03 1951-05-30 Escher Wyss & Cie Const Mec Cooled hollow blade for gas or steam turbines
US3836283A (en) * 1972-05-08 1974-09-17 Nat Aerospace Lab Construction of axial-flow turbine blades
EP0392664A2 (en) * 1989-03-13 1990-10-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Cooled turbine blade and combined cycle power plant having gas turbine with this cooled turbine blade
US5320483A (en) 1992-12-30 1994-06-14 General Electric Company Steam and air cooling for stator stage of a turbine
US5472316A (en) * 1994-09-19 1995-12-05 General Electric Company Enhanced cooling apparatus for gas turbine engine airfoils
US5536143A (en) * 1995-03-31 1996-07-16 General Electric Co. Closed circuit steam cooled bucket
EP0814234A1 (en) * 1996-01-08 1997-12-29 Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha Stationary blade for gas turbine

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116796459A (en) * 2023-06-20 2023-09-22 东南大学溧阳研究院 A design method of radial turbine with splitter blades applied to turbocharger
CN116796459B (en) * 2023-06-20 2023-12-08 东南大学溧阳研究院 A design method of radial turbine with splitter blades applied to turbocharger

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