WO2001098634A1 - Konfiguration einer kühlbaren turbinenschaufel - Google Patents

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WO2001098634A1
WO2001098634A1 PCT/EP2001/006502 EP0106502W WO0198634A1 WO 2001098634 A1 WO2001098634 A1 WO 2001098634A1 EP 0106502 W EP0106502 W EP 0106502W WO 0198634 A1 WO0198634 A1 WO 0198634A1
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WO
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turbine blade
trailing edge
flow
blade according
outflow
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PCT/EP2001/006502
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Tiemann
Michael Strassberger
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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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
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10Cores; Manufacture or installation of cores
    • 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
    • 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
    • F05D2260/221Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to a cooling-fluid-penetrated turbine blade according to the preamble of claim 1.
  • Such a turbine blade through which cooling fluid flows has inner flow channels which are separated from one another by inner walls.
  • the working fluid flows around the turbine blade. It can be a turbine blade of a gas turbine. Then the working fluid is gas.
  • the turbine blade is inclined with respect to the incoming working fluid, so that a force component is produced in the circumferential direction of the turbine in the usual way. Therefore, the outflow direction of the working fluid is essentially the direction along the turbine blade in which the working fluid flows around it.
  • Flow channels for the cooling fluid are not satisfactory in the case of low-cooled turbine blades. Due to the slow flow speed of the cooling fluid, it would cool too much in the initial area of a meandering flow channel and be heated up too much in the end area and consequently cool there too little. In the case of the turbine blades mentioned, the flow rate of the cooling fluid can also be too low with regard to the centrifugal forces of the turbine rotation that occur.
  • the cooling fluid flows through the turbine blade simply along its radial extent.
  • Turbine blades with radial bores or with straight radial channels are known, which run from a radially inner blade root to outflow openings located further radially outward - outflow openings made in the abrading edge.
  • the resulting cooling fluid flow then has the desired local - at any location in the flow channel - practically predominantly to exclusively radial flow components directed radially outward.
  • the flow and thus the cooling effect in such turbine blades is very inhomogeneous.
  • the area of a trailing edge that is to narrow in the outflow direction can generally no longer be penetrated by a radial flow channel due to the minimum dimensions mentioned, which are caused by the manufacturing process.
  • the overhanging rear edge overheats.
  • the invention offers the advantage that it permits homogeneous cooling of the turbine blade, in particular in the area of the edges.
  • the area is particularly problematic here of the trailing edge duct, in which the flow requirements, for example, require a narrowing of the turbine blade.
  • trailing edge ducts are provided, the cooling fluid flow of which have local crossflow components at predetermined locations and in which outflow openings are introduced into a trailing edge of the turbine blade.
  • the use of the trailing edge as the area for the outflow of cooling fluid opens up a large variety of design options for low-cooled turbine blades that were previously not accessible.
  • the trailing edge channels can - at least partially - discharge their cooling fluid via the outflow openings which are introduced into the trailing edge. This also creates more free space for the channels located in the outflow direction in front of the trailing edge channels. Outflow openings - in particular at the abrading edge - which were previously acted upon by the trailing edge ducts can now be used to discharge cooling fluid from flow ducts located in front of the trailing edge ducts.
  • a threefold efficiency is achieved: this makes it possible for the first time to cool the trailing edge of a turbine blade according to the invention effectively and homogeneously and at the same time to have a thin trailing edge (in the sense of improved aerodynamics). Furthermore, a natural outflow of the cooling fluid is achieved for the trailing edge ducts, which allows the front flow ducts located in front of the trailing edge ducts to be adapted to the technical requirements in their geometry and in particular in their outflow behavior.
  • front flow channels act on more outflow length along the contact edge can than was previously the case. Since the trailing edge channels are on the one hand further shifted in the outflow direction to the trailing edge and, on the other hand, dodge due to their curved shape, the front flow channels located in front can fill the free space created. Due to the local cross-flow components of the trailing edge channels, the front flow channels can also be bent such that they also have local cross-flow components. This results in a different use of space within the cooling volume of the turbine blade with better use of the cooling air.
  • turbine blades in the rear area of the turbine - that is, low-cooled turbine blades - can also be designed with the least to vanishing geometry restrictions.
  • it is a well-known requirement for reasons of strength and reasons of casting
  • the turbine blade narrows in the radial direction away from the blade root. Since the outflow openings of the trailing edge are used, the remaining, in particular front and middle, flow channels can expand in this direction with respect to their extension parallel to the outflow direction and thus the thickness decrease in the radial direction by widening parallel to the outflow direction and use of several outflow openings of the abrading edge compensate for a flow channel.
  • the flow channels can be shaped in such a way that cross-flow components are present in the outflow direction and in the opposite direction. Preferably, however, only or predominantly cross-flow components are provided in the outflow direction.
  • the cross flow components cause a flow through the trailing edge that was not previously available.
  • Cooling fluid also automatically led to the outflow openings in the rear edge.
  • a trailing edge duct and / or a front flow duct bend / bend at least in sections, in particular with its outer radial sections, from the radial direction in the outflow direction.
  • the turning sections are rounded.
  • the bending sections then run without edges with curvature.
  • trailing edge channels There can be several trailing edge channels.
  • the last trailing edge channel seen in the outflow direction is provided practically exclusively with outflow openings made in the trailing edge.
  • this is the most effective solution and as few - preferably no - outflow openings other than those of the rear edge are acted upon and thus occupied.
  • the last trailing edge channel can therefore also end at a radial distance radially on the inside in front of the brushing edge. According to the invention, this channel does not need any outflow at all. > 00 MMH 1 I- 1 ⁇ o Cn o C ⁇ o C ⁇
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  • the resulting effective total cross-sectional area of the inflow openings is preferably equal to the total cross-sectional area of the outflow openings of a flow channel, the respective total cross-sectional area corresponding to the inner cross section of the associated flow channel.
  • a turbine blade according to the invention is slightly cooled, i.e. executed without meandering structure of the flow channels. It is used for the rear area of a turbine and / or for low-cooled turbines / turbine blades.
  • FIG. 1 shows a perspective top view of a turbine blade according to the invention with a blade root, the internal flow channels being shown hidden
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the turbine blade according to FIG. 1.
  • the turbine blade 1 is surrounded by the working fluid 3 - which is only partially shown as an example in FIG. 1 - in the outflow direction 2, as a result of which the work is generated or the turbine is driven.
  • the cooling fluid 31 - which is also shown by way of example and in detail in FIG. 2 - flows through the turbine blade 1 along the flow channels 4, 5, 6. As a result, the turbine blade 1 is cooled.
  • the cooling fluid 31 can be (cooled) air, for example.
  • Such a turbine blade 1 has a blade root 10 which is inserted into a corresponding groove in the turbine disk (not shown here) and fastened there.
  • the inflow openings 7, 8, 9 shown are aligned with corresponding openings in the turbine disk. Through this, the cooling fluid 31 is supplied to the flow channels 4, 5, 6.
  • the flow channels 4, 5, 6 run between the inflow openings 7, 8, 9 on the radially inner blade root 10 and, on the other hand, outflow openings lying further radially outward
  • Cooling fluid flow 14 locally practically exclusively radially outward — and not approximately inward — radial flow components 15 (see FIG. 2). All radial flow components 15 thus point away from the center of the turbine rotation.
  • a turbine blade 1 is also slightly cooled and is therefore suitable for realizing the invention if its flow channels practically predominantly have radial flow components 15 directed radially outwards.
  • the flow channels 4, 5, 6 separated by the inner walls 30 are curved in the exemplary embodiment shown in such a way that the resulting cooling fluid flow 14 has, in addition to the radial flow components 15 mentioned, local cross-flow components 17.
  • the resulting cooling fluid flow 14 in the flow channels 4, 5 is schematically broken down into a radial flow component 15 and a cross flow component 17 in FIG. 2.
  • the radial flow components 15 all point radially outward.
  • the cooling fluid flow 14 is practically reversible with respect to the radial direction 20. In the exemplary embodiment, this applies to all flow channels 4, 5, 6.
  • the cross-flow components 17 are directed locally in the outflow direction 2 at each point.
  • the cooling fluid 31 of the last trailing edge channel 6 is supplied to the outflow openings 13 in the trailing edge 18, which are located further radially on the inside.
  • Two trailing edge channels 5, 6 are shown in the figures. Both trailing edge channels 5, 6 open into the outflow openings 13, 23 in the trailing edge 18.
  • the radially continuous trailing edge channel 5 opens into the outflow openings 23, which are more radially outward and are introduced into the trailing edge 18 and at the same time into an outflow opening 12 which is introduced into the abrading edge 16
  • the last trailing edge duct 6 seen in the outflow direction 2 ends at a radial distance 22 radially inward in front of the abutting edge 16. As a result, the outflow openings 23 remain through the last trailing edge channel 6 unused.
  • the trailing edge channels 5, 6 communicate via an opening 24 which is arranged in the middle (with respect to the radial direction 20) of the radially continuous trailing edge channel 5 and at the radially outer end of the last trailing edge channel 6.
  • the flow channel 4 seen in the outflow direction 2 widens outward in the radial direction 20 its extension in the outflow direction 2 (ie the width).
  • the front flow channel 4 is also curved such that local, resulting cross-flow components 17 are present.
  • the inner walls 30, which separate the flow channels 4, 5, 6 from one another, are of practically the same thickness over the entire radial extent of the turbine blade 1.
  • the front flow duct 4 therefore follows the trailing edge ducts 5, 6 and nestles against them, so that the interior of the turbine blade 1 is practically completely penetrated by the flow ducts 4, 5, 6.
  • trailing edge channels 5, 6 practically penetrate the area of the trailing edge 18 of the turbine blade 1 except for a remaining outer wall thickness.
  • This wall thickness - as well as the size of the cast core of a cast turbine blade, i.e. the size of the cavities - are limited downwards by the technical parameters of the manufacturing process.
  • the enforcement of the trailing edge 18 also results in a homogeneous cooling of the turbine blade 1 that encloses the trailing edge 18.
  • the inner cross section 25 of the flow channels 4, 5, 6 should remain approximately the same, however, practically over the entire length 26 of a flow channel 4, 5, 6. This is achieved by the invention for the first time for turbine blades 1 in the rear area. As a result, the local, resulting, effective inner cross section 25 is practically the same over the entire length 26 of a flow channel 4, 5, 6, except for cross-sectional deviations which are negligible with respect to the flow resistance of the flow channel 4, 5, 6. This is shown in FIG. 1 using the example of the flow channel 4. to IO 1 t- 1 o c ⁇ o C ⁇ o c ⁇

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Abstract

Es handelt sich um eine kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel (1), mit mehreren, in Abströmrichtung (2) des Arbeitsfluids (3) benachbart angeordneten Strömungskanälen (4, 5, 6), die zwischen Einströmöffnungen (7, 8, 9) an einem radial inneren Schaufelfuss (10) und demgegenüber weiter radial aussen liegenden Ausströmöffnungen (11, 12, 13) derart verlaufen, dass die lokalen Radialströmungskomponenten (15) der resultierenden Kühlfluidströmung (14) praktisch überwiegend nach radial aussen gerichtet sind, wobei ein in Abströmrichtung (2) gesehen vorderer Strömungskanal (4) vorhanden ist, dessen Ausströmöffnungen (11) in eine Anstreifkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind. Weiterhin ist zumindest ein Hinterkantenkanal (5, 6) vorhanden, dessen zugehörige, re sultierende Kühlfluidströmung (14) zusätzlich lokale Querströmungskomponenten (17) aufweist und dessen Ausströmöffnungen (12, 13) in eine Hinterkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind.

Description

Beschreibung
KONFIGURATION EINER KUHLBAREN TURBINENSCHAUFEL
Die Erfindung betrifft eine kühlfluiddurchströrαte Turbinenschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche, kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel hat innere Strömungskanäle, die durch Innenwände voneinander ge- trennt sind. Die Turbinenschaufel wird von dem Arbeitsfluid umströmt. Es kann sich um eine Turbinenschaufel einer Gasturbine handeln. Dann ist das Arbeitsfluid Gas. Die Turbinenschaufel ist gegenüber dem anströmenden Arbeitsfluid geneigt, so daß in üblicher Weise eine Kraft omponente in Umfangsrich- tung der Turbine entsteht. Daher ist die Abströmrichtung des Arbeitsfluids im wesentlichen diejenige Richtung entlang der Turbinenschaufel, in der das Arbeitsfluid diese umströmt.
Bei dem genannten Typ handelt es sich um eine Turbinenschau- fei im hinteren Bereich einer Turbine. Dort ist das Arbeitsfluid bereits so weit entspannt und abgekühlt, daß lediglich gering gekühlte Turbinenschaufeln zur Anwendung kommen. Dies bedeutet, daß lediglich ein geringerer Durchfluß von Kühlfluid durch die Turbine vorgesehen ist. Aufgrund des ge~ ringen Durchflusses funktioniert eine Mäanderstruktur von
Strömungskanälen für das Kühlfluid bei gering gekühlten Turbinenschaufeln nicht zufriedenstellend. Aufgrund der langsamen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids würde dieses im Anfangsbereich eines mäandrierenden Strömungskanals zu stark kühlen und im Endbereich zu stark aufgeheizt sein und dort folglich in zu geringem Maße kühlen. Bei den genannten Turbinenschaufeln kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids hinsichtlich der auftretenden Zentrifugalkräfte der Turbinendrehung zu gering sein.
Daher ist die Turbinenschaufel lediglich einfach längs ihrer Radialerstreckung von dem Kühlfluid durchströmt. Bei einfa- eher Durchströmung - das heißt bei Strömungskanälen praktisch ohne Umkehrstellen bezüglich der Radialrichtung der Kuhlfluidströmung - treten die oben genannten Probleme nicht auf. Dazu sind Turbinenschaufeln mit Radialbohrungen oder mit ge- raden Radialkanälen bekannt, die von einem radial inneren Schaufelfuß zu weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen - in die Anstreifkante eingebrachten Ausströmöffnungen - verlaufen. Die resultierende Kuhlfluidströmung weist dann die erwünschten, lokalen - an jedem Ort des Strömungskanals - praktisch überwiegend bis ausschließlich nach radial außen gerichteten Radialströmungskomponenten auf.
Aufgrund der technisch bedingten Mindestmaße sowohl des Gußkerns als auch der Wandstärke ist die Durchströmung und damit auch der Kühleffekt bei solchen Turbinenschaufeln stark inhomogen. So kann der Bereich einer Hinterkante, die sich in Abströmrichtung verschmälern soll, aufgrund der genannten, durch den Herstellungsprozeß bedingten Mindestmaße in der Regel nicht mehr von einem radialen Strömungskanal durchsetzt sein. Es kommt zu einer Überhitzung der überhängenden Hinterkante. Des weiteren ergeben sich Einschränkungen - insbesondere durch die oben genannten Mindestmaße - in der Geometrie der meist großen Turbinenschaufeln im hinteren Bereich der Turbine .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel anzugeben, die trotz eines geringen Kühlfluidstroms an die technischen Erfordernisse für gering gekühlte Turbinenschaufeln hinsichtlich ihrer Geometrie angepaßt ist und die trotzdem eine weitgehend homogene Kühlung, insbesondere in den Randzonen, erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß sie eine homogene Kühlung der Turbinenschaufel, insbesondere im Bereich der Kanten, erlaubt. Besonders problematisch ist hier der Bereich des Hinterkantenkanals, in dem die strömungstechnischen Anforderungen z.B. eine Verschmälerung der Turbinenschaufel verlangen.
Der genannte Vorteil wird dadurch erreicht, daß eine oder mehrere Hinterkantenkanäle vorhanden sind, deren Kuhlfluidströmung an vorbestimmten Stellen lokale Querströmungskompo- nenten aufweisen und bei denen Ausströmöffnungen in eine Hinterkante der Turbinenschaufel eingebracht sind. Durch die Verwendung der Hinterkante als Bereich der Ausströmung von Kühlfluid wird für gering gekühlte Turbinenschaufeln eine große Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet, die bislang nicht zugänglich waren.
So können die Hinterkantenkanäle - zumindest teilweise - ihr Kühlfluid über die Ausströmöffnungen, die in die Hinterkante eingebracht sind, ableiten. Dadurch wird auch für die - in Abströmrichtung gesehen - vor den Hinterkantenkanälen gelegenen Kanäle mehr Freiraum geschaffen. Ausströmöffnungen - ins- besondere an der Anstreifkante -, die vorher durch die Hinterkantenkanäle beaufschlagt waren, können nunmehr zum Ausleiten von Kühlfluid aus vor den Hinterkantenkanälen gelegenen Strömungskanälen dienen.
Es wird ein dreifacher Nutzeffekt erreicht: Damit wird es nämlich erstmals möglich, die Hinterkante einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel effektiv und homogen zu kühlen und zugleich eine dünne Hinterkante (im Sinne einer verbesserten Aerodynamik) zu haben. Des weiteren wird für die Hinterkan- tenkanäle eine natürliche Abströmung des Kühlfluids erreicht, die es erlaubt, auch die vor den Hinterkantenkanälen gelegenen, vorderen Strömungskanäle in ihrer Geometrie und insbesondere in ihrem Abströmverhalten an die technischen Erfordernisse anzupassen.
Dies bedeutet, daß beispielsweise vordere Strömungskanäle mehr Ausströmlänge entlang der Anstreifkante beaufschlagen können, als dies bislang der Fall war. Da die Hinterkantenkanäle einerseits weiter in Abströmrichtung zur Hinterkante verlagert sind und andererseits durch ihre gebogene Form ausweichen, können die davor gelegenen, vorderen Strömungskanäle den entstandenen Freiraum ausfüllen. Die vorderen Strömungskanäle können aufgrund der lokalen Querströmungskomponenten der Hinterkantenkanäle ebenfalls derart gebogen sein, daß auch sie lokale Querströmungskomponenten aufweisen. Dadurch ist eine andere Raumausnutzung innerhalb des Kühlvolumens der Turbinenschaufel gegeben mit besserer Ausnutzung der Kühlluft.
Damit können erstmalig auch Turbinenschaufeln im hinteren Bereich der Turbine - also gering gekühlte Turbinenschaufeln - mit geringsten bis verschwindenden Einschränkungen hinsichtlich der Geometrie ausgeführt sein. Es ist beispielsweise eine hinlänglich bekannte Anforderung (aus Festigkeitsgründen und Abgußgründen) , daß sich die Turbinenschaufel vom Schaufelfuß weg in radialer Richtung verschmälert. Da die Aus- strömöffnungen der Hinterkante verwendet werden, können sich die übrigen, insbesondere vorderen und mittleren Strömungskanäle in dieser Richtung bezüglich ihrer Ausdehnung parallel zur Abströmrichtung erweitern und somit die Dickenabnahme in Radialrichtung durch Verbreiterung parallel zur Abströmrich- tung und Nutzung mehrerer Ausströmöffnungen der Anstreifkante durch einen Strömungskanal kompensieren. Dadurch kann bei bestmöglichem Wirkungsgrad der Turbine ein praktisch gleichbleibender Innenquerschnitt der Strömungskanäle erreicht werden verbunden mit einem schlanken Profil. Dies ist nur mit der Erfindung möglich, da der zusätzliche Raum lediglich durch die nunmehr freigewordenen Ausströmöffnungen an der Anstreifkante und den gebogenen Verlauf der Strömungskanäle ermöglicht wird. Zudem ist eine geschwungene Profilform zur Optimierung der Aerodynamik (Randzoneneffekte) möglich - im Ge- gensatz zur gebohrten Schaufel - mit Kühlmöglichkeit der Hinterkante, im Gegensatz zu bisherigen Geometrien. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Strömungskanäle können derart geformt sein, daß Querströ- mungskomponenten in Abströmrichtung und entgegengesetzt vorhanden sind. Bevorzugt sind aber ausschließlich oder überwiegend Querströmungskomponenten in Abströmrichtung vorgesehen. Die Querströmungskomponenten bewirken eine Durchströmung der Hinterkante, die bislang nicht vorhanden war. Durch die Nut- zung der genannten Querströmungskomponenten wird das
Kühlfluid des weiteren automatisch zu den Ausströmöffnungen in der Hinterkante geführt.
Bevorzugt ist, daß ein Hinterkantenkanal und/oder ein vorde- rer Strömungskanal zumindest abschnittsweise, insbesondere mit ihren/seinen äußeren Radialabschnitten, von der Radialrichtung in Abströmrichtung abbiegen/abbiegt.
Um Totzonen zu vermeiden und den Strömungswiderstand insge- samt zu verringern, so daß das gesamte, zur Verfügung stehende Kühlvolumen effektiv ausgenutzt wird, ist vorgesehen, daß die Abbiegeabschnitte ausgerundet sind. Die Abbiegeabschnitte verlaufen dann ohne Kanten mit Krümmung.
Es können mehrere Hinterkantenkanäle vorhanden sein. Insbesondere ist der in Abströmrichtung gesehen letzte Hinterkantenkanal praktisch ausschließlich mit in die Hinterkante eingebrachten Ausströmöffnungen versehen. Unter Zugrundelegung der erfinderischen Idee, Querströmungskomponenten zu verwen- den und Ausströmöffnungen in der Hinterkante vorzusehen, ist dies die effektivste Lösung und möglichst wenige - vorzugsweise gar keine - anderen Ausströmöffnungen als die der Hinterkante beaufschlagt und somit belegt.
Daher kann der letzte Hinterkantenkanal auch in einem Radialabstand radial innen vor der Anstreifkante enden. Erfindungsgemäß braucht dieser Kanal nämlich überhaupt keine Ausström- > 00 M M H1 I-1 π o Cn o Cπ o Cπ
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Die resultierende, effektive Gesamtquerschnittsfläche der Einströmöffnungen ist vorzugsweise gleich der Gesamtquerschnittsfläche der Ausströmöffnungen eines Strömungskanals, wobei die jeweilige Gesamtquerschnittsfläche dem Innenquerschnitt des zugehörigen Strömungskanals entspricht.
Eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel ist gering gekühlt, d.h. ohne Mäanderstruktur der Strömungskanäle ausgeführt. Sie wird für den hinteren Bereich einer Turbine und/oder für gering gekühlte Turbinen/Turbinenschaufeln verwendet.
Die Erfindung wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit Schaufelfuß, wobei die innen liegenden Strömungskanäle verdeckt dargestellt sind, Figur 2 einen Längsschnitt durch die Turbinenschaufel gemäß Figur 1.
Die Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren jeweils gleiche, konstruktive Merkmale. Im folgenden wird die Erfindung unter gleichzeitiger Bezugnahme auf Figur 1 und Figur 2 beschrie- ben.
Die Turbinenschaufel 1 ist von dem Arbeitsfluid 3 - welches in der Figur 1 lediglich exemplarisch ausschnittweise dargestellt ist - in der Abströmrichtung 2 umströmt, wodurch die Arbeitsleistung erzeugt beziehungsweise die Turbine angetrieben wird. Die Turbinenschaufel 1 wird von dem Kühlfluid 31 - welches ebenfalls exemplarisch und ausschnittweise in der Figur 2 gezeigt ist - entlang der Strömungskanäle 4,5,6 durchströmt. Dadurch wird die Turbinenschaufel 1 gekühlt. Das Kühlfluid 31 kann beispielsweise (gekühlte) Luft sein. Eine solche Turbinenschaufel 1 hat einen Schaufelfuß 10, der in eine entsprechende Nut der Turbinenscheibe (hier nicht gezeigt) eingeschoben und dort befestigt ist. Dabei fluchten die gezeigten Einströmöffnungen 7,8,9 mit entsprechenden Öff- nungen in der Turbinenscheibe. Durch diese wird das Kühlfluid 31 den Strömungskanälen 4,5,6 zugeführt.
Die Strömungskanäle 4,5,6 verlaufen zwischen den Einströmöffnungen 7,8,9 an dem radial inneren Schaufelfuß 10 und demge- genüber weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen
11,12,13. Sie verlaufen ohne Umkehrstellen bezüglich der Radialrichtung 20, d.h. praktisch umkehrfrei. Das Kühlfluid 31 durchströmt also in jedem Strömungskanal 4,5,6 die Radialerstreckung der Turbinenschaufel 1 lediglich einfach. An je- der Stelle eines Strömungskanals weist die resultierende
Kuhlfluidströmung 14 lokal praktisch ausschließlich nach radial außen - und nicht etwa nach radial innen - gerichtete Radialströmungskomponenten 15 auf (siehe Figur 2) . Alle Radi- alströmungskomponenten 15 zeigen somit von dem Zentrum der Turbinendrehung weg. Eine Turbinenschaufel 1 ist auch dann gering gekühlt und somit für die Realisierung der Erfindung geeignet, wenn deren Strömungskanäle praktisch überwiegend nach radial außen gerichtete Radialströmungskomponenten 15 aufweisen.
Die durch die Innenwände 30 getrennten Strömungskanäle 4,5,6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel derart gekrümmt, daß die resultierende Kuhlfluidströmung 14 zusätzlich zu den genannten Radialströmungskomponenten 15 lokale Querströmungs- komponenten 17 aufweist.
Zur Verdeutlichung ist in Figur 2 die resultierende Kuhlfluidströmung 14 in den Strömungskanälen 4,5 schematisch in jeweils eine Radialströmungskomponente 15 und eine Querströ- mungskomponente 17 zerlegt. Die Radialströmungskomponenten 15 zeigen alle nach radial außen. Dadurch ist die Kuhlfluidströmung 14 bezüglich der Radialrichtung 20 praktisch umkehrfrei. Dies gilt im Ausführungsbeispiel für alle Strömungskanäle 4,5,6.
Es ist ein in Abströmrichtung gesehen letzter Hinterkantenkanal 6 vorhanden. Dieser (wie auch die Strömungskanäle 4,5) biegt mit ausgerundeten Abbiegeabschnitten 21 von der Radialrichtung 20 in Abströmrichtung 2 ab. Der Verlauf des Strömungskanals 6 ist dadurch in Richtung der Hinterkante 18 gekrümmt .
Durch die Krümmung sind die Querströmungskomponenten 17 an jeder Stelle lokal in Abströmrichtung 2 gerichtet. Dadurch wird das Kühlfluid 31 des letzten Hinterkantenkanals 6 den Ausströmöffnungen 13 in der Hinterkante 18, die weiter radial innen liegen, zugeführt.
In den Figuren sind jeweils zwei Hinterkantenkanäle 5,6 gezeigt. Beide Hinterkantenkanäle 5,6 münden in die Ausströmöffnungen 13,23 in der Hinterkante 18. Der radial durchge- hende Hinterkantenkanal 5 mündet in die weiter radial außen liegenden, in die Hinterkante 18 eingebrachten Ausströmöffnungen 23 und gleichzeitig in eine in die Anstreifkante 16 eingebrachte Ausströmöffnung 12. Damit die weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen 23 durch das Kühlfluid 31 in dem radial durchgehenden Hinterkantenkanal 5 beaufschlagt werden können, endet der in Abströmrichtung 2 gesehen letzte Hinterkantenkanal 6 in einem Radialabstand 22 radial innen vor der Anstreifkante 16. Dadurch bleiben die Ausströmöffnungen 23 durch den letzten Hinterkantenkanal 6 unbeaufschlagt .
Die Hinterkantenkanäle 5,6 kommunizieren über eine Öffnung 24, die in der Mitte (bezüglich der Radialrichtung 20) des radial durchgehenden Hinterkantenkanals 5 und am radial äußeren Ende des letzten Hinterkantenkanals 6 angeordnet ist.
Der in Abströmrichtung 2 gesehen vordere Strömungskanal 4 erweitert sich in Radialrichtung 20 nach außen hinsichtlich seiner Erstreckung in Abströmrichtung 2 (d.i. die Breite). Auch der vordere Strömungskanal 4 verläuft derart gekrümmt, daß lokale, resultierende Querströmungskomponenten 17 vorhanden sind. Die Innenwände 30, die die Strömungskanäle 4,5,6 voneinander trennen, sind über die gesamte Radialerstreckung der Turbinenschaufel 1 von praktisch gleicher Stärke. Der vordere Strömungskanal 4 folgt daher in seinem Verlauf den Hinterkantenkanälen 5,6 und schmiegt sich an diese an, so daß der Innenraum der Turbinenschaufel 1 praktisch vollständig von den Strömungskanälen 4,5,6 durchsetzt ist.
Neu ist bei der Erfindung auch, daß die Hinterkantenkanäle 5,6 den Bereich der Hinterkante 18 der Turbinenschaufel 1 praktisch bis auf eine verbleibende, äußere Wandstärke durch- setzen. Diese Wandstärke - wie auch die Größe des Gußkerns einer gegossenen Turbinenschaufel, d.h. die Größe der Hohlräume - sind nach unten durch die technischen Parameter des Herstellungsprozesses begrenzt. Durch die Durchsetzung auch der Hinterkante 18 ergibt sich insgesamt eine die Hinterkante 18 einschließende, homogene Kühlung der Turbinenschaufel 1.
Besonders in der perspektivischen Darstellung der Figur 1 ist zu erkennen, daß sich die Turbinenschaufel 1 in Radialrichtung 20 nach außen und gleichzeitig in Abströmrichtung 2 ge- sehen verschmälert. Dabei sollte der Innenquerschnitt 25 der Strömungskanäle 4,5,6 aber in etwa gleich bleiben, und zwar praktisch über die gesamte Länge 26 eines Strömungskanals 4,5,6. Dies wird durch die Erfindung erstmals für Turbinenschaufeln 1 des hinteren Bereichs erreicht. Dadurch ist der lokale, resultierende, effektive Innenquerschnitt 25 praktisch über die ganze Länge 26 eines Strömungskanals 4,5,6 bis auf bezüglich des Strömungswiderstandes des Strömungskanals 4,5,6 vernachlässigbare Querschnittsabweichungen gleich groß. Dies ist in Figur 1 am Beispiel des Strömungskanals 4 ge- zeigt. to IO 1 t-1 o cπ o Cπ o cπ
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Claims

Patentansprüche
1. Kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel (1), mit mehreren, in Abströmrichtung (2) des Arbeitsfluids (3) benachbart angeordneten Strömungskanälen (4,5,6), die zwischen Einströmöffnungen (7,8,9) an einem radial inneren Schaufelfuß (10) und demgegenüber weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen (11,12,13) verlaufen, mit einer bezüglich der Radialrichtung (20) praktisch umkehrfreien Kühlflu- idströmung (14), und mit einem in Abströmrichtung (2) gesehen vorderen Strömungskanal (4), dessen Ausströmöffnungen (11) in eine Anstreifkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Hinterkantenkanal (5,6) vorhanden ist, dessen Kuhlfluidströmung (14) an vorbestimmten Stellen lokale Querströmungskomponenten (17) aufweist und bei dem Ausströmöffnungen (12,13) in eine Hinterkante (16) der Turbinenschaufel (1) eingebracht sind.
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 Querströmungskomponenten (17) in Abströmrichtung (2) vorhanden sind.
3. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Hinterkantenkanal (5,6) und/oder ein vorderer Strömungskanal (4) zumindest abschnittsweise, insbesondere mit ihren/seinen äußeren Radialabschnitten (19), von der Radial- richtung (20) in Abströmrichtung (2) abbiegen/abbiegt.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ausgerundete Abbiegeabschnitte (21) vorhanden sind.
5. 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 mehrere Hinterkantenkanäle (5,6) vorhanden sind.
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 der in Abströmrichtung (2) gesehen letzte Hinterkantenkanal (6) ausschließlich in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (13) aufweist.
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 der letzte Hinterkantenkanal (6) in einem Radialabstand (22) radial innen vor der Anstreifkante (16) endet.
8. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein radial durchgehender Hinterkantenkanal (5) vorhanden ist, der sowohl in die Anstreifkante (16) eingebrachte Aus- Strömöffnungen (12) als auch in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (23) aufweist.
9. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 6, 7 und 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der letzte Hinterkantenkanal (6) radial innen liegende, in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (13) und daß der radial durchgehende Hinterkantenkanal (5) radial weiter außen liegende, in die Hinterkante (18) eingebrachte Ausströmöffnungen (23) aufweist.
10. Turbinenschaufel nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der letzte Hinterkantenkanal (6) über eine Öffnung (24) mit dem radial durchgehenden Hinterkantenkanal (5) kommuni- ziert.
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 lokale, resultierende, effektive Innenquerschnitt (25) praktisch über die ganze Länge (26) eines Strömungskanals (4,5,6) bis auf bezüglich des Strömungswiderstandes des
Strömungskanals (4,5 6) vernachlässigbare Querschnittsabweichungen (27) gleich groß ist.
12. Turbinenschaufel nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
Querschnittsabweichungen (27) weniger als 20 Prozent, insbesondere weniger als 10 Prozent des Innenquerschnitts (25) betragen.
13. Turbinenschaufel nach Anspruch 11 und 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die resultierende, effektive Gesamtquerschnittsfläche (28) der Einströmöffnungen (7,8,9) gleich der Gesamtquerschnittsfläche (29) der Ausströmöffnungen (11,12,13,23) eines Strömungskanals (4,5,6) ist, und daß die jeweilige Gesamtquerschnittsfläche (28,29) dem Innenquerschnitt (25) entspricht.
14. Verwendung einer Turbinenschaufel nach einem der Ansprü- ehe 1 bis 13 für den hinteren Bereich einer Turbine und/oder für eine gering gekühlte Turbine.
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