WO2012028574A1 - Turbinenschaufel für eine gasturbine - Google Patents

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WO2012028574A1
WO2012028574A1 PCT/EP2011/064811 EP2011064811W WO2012028574A1 WO 2012028574 A1 WO2012028574 A1 WO 2012028574A1 EP 2011064811 W EP2011064811 W EP 2011064811W WO 2012028574 A1 WO2012028574 A1 WO 2012028574A1
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turbine
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Fathi Ahmad
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade with a flow around a hot gas blade, which comprises a suction ⁇ sidewall and a pressure side wall extending in the flow direction of the hot gas from a common leading edge to a trailing edge, wherein at the trailing edge at least one opening for blowing a show ⁇ Felblatt previously cooling coolant is arranged, which is at least one opening with a angeordne ⁇ th in the blade cavity by means of a channel in flow communication, wherein the channel is also bounded by an inwardly facing surface of the suction side wall and an inwardly facing surface of the pressure side wall and a throttle element is provided for adjusting the amount of coolant emerging from the opening.
  • An initially mentioned turbine blade and a casting core for producing such a turbine blade are known, for example, from WO 2003/042503 A1.
  • the known turbine blade has a cooled trailing edge at which a plurality of openings for blowing out the cooling air by interposed webs - which are also known in English as "tear drops" - are separated from each other.
  • the arranged at the trailing edge of a common cavity is preceded by three rows of columnar sockets - in the English also known under the name "Pin-Fins" - are arranged, which increase the heat transfer of them passing cooling air and to increase the Pressure loss are provided there.
  • the casting core required for producing such a turbine blade is shown in perspective in FIG. 7 of WO 2003/042503 A1.
  • the space occupied by the casting core remains after production of the cast turbine blade as Cavity in the turbine blade, wherein in the casting core angeord ⁇ designated openings are filled with casting material.
  • the casting core is the negative image of the inside of the door ⁇ binenschaufel.
  • the pin-fins known from WO 2003/042503 AI have a cylindrical shape and connect the opposite inner surfaces of the suction side wall and pressure side wall of the blade of the turbine blade.
  • pins are arranged in the form of a grid in the cavity of the double wall.
  • the pins have a diamond shape in principle, with their corners rounded and their edges are concave inward. Between the pins thus creates a network of passages for cooling air, each having a narrowed inlet and a narrowed outlet opening, between which a diffuser and nozzle section is arranged.
  • the sections aim to slow down and accelerate the cooling air for efficient cooling.
  • Cooling channels are designed zigzag through cast-in c-shaped ribs. This can be achieved a better cooling effect.
  • the casting cores required for the production can be stiffened with it.
  • the object of the invention is therefore to provide an initially mentioned turbine blade for a gas turbine, which is efficient and sufficiently coolable with the smallest possible amount of coolant.
  • the turbine blade for a gas turbine comprises an airfoil which can be flowed around by a hot gas and which comprises a suction sidewall and a pressure sidewall which extend in the flow direction of the hot gas from a common leading edge to a trailing edge, at least one opening for blowing out a gas at or in the trailing edge the airfoil is previously arranged cooling coolant, which is at least one opening in fluid communication with a vane in ⁇ arranged cavity by means of a channel, wherein the channel also from an inwardly facing surface of the suction side wall and from an inwardly ge ⁇ facing surface of the pressure side wall is limited and to Ein ⁇ position of emerging from the opening amount of cooling air, a throttle element is provided, according to the invention, the throttle element upstream - in relation to the flow ⁇ direction of the channel - the respective opening is arranged and two surveys to summarized, which are each arranged on one of the two inwardly facing surfaces.
  • the throttle element comprises at the inwardly facing surfaces arranged elevations which extend transversely to the flow direction of the channel and between which the minimum flow cross section of the channel is arranged ⁇ .
  • the minimum vertical distance between each of the neutral fibers of the coolant flow and one of the two side surfaces in the cooling channel is to be detected.
  • the throttle element is arranged in the upstream in the shop ⁇ felinneren the trailing edge opening.
  • the throttle element is to be formed by two mutually related elevations, each of which are arranged on the inwardly facing surface of the suction side wall and pressure side wall. None of the elevations connects the suction side wall with the pressure side ⁇ wall.
  • This disclosed embodiment of the throttle element is in particular ⁇ sondere A manufactured by casting turbine blades advantageous. As is known, turbine blades are usually produced in casting processes in which so-called lost casting cores are used to produce the internal cooling system. The production of these cores is usually done with the help of a core tool.
  • the coring tool comprises two slide elements, which ⁇ can be moved towards or away from each other be. When pushed together, these slide elements surround a cavity which has the same contour as the cavity of the turbine blade to be cast.
  • the casting core material is inserted into the cavity of the slider elements. After drying the casting core ⁇ materials of the casting core for producing the turbine blade is provided.
  • the slide elements for the production of the first prototype According to the invention the turbine blade to be manufactured series designed so that in the interim to be manufactured turbine blade prototype of throttling, minimum distance In any case, the surveys are smaller than the theoretically required.
  • the first turbine blade prototype thus prepared is then subjected to a coolant flow measurement. Desirably, due to the first time too small distance between the surveys, the throttle effect is too large, which initially leads to a low flow rate.
  • the slide elements are changed. Their elevations are slightly changed, which increases in the collapsed state whose minimum distance. Subsequently, another casting core is produced with it. With this another turbine blade prototype is Herge ⁇ provides, the flow rate is then determined again and compared with the desired amount.
  • each of the two slides can be processed by itself - such as by grinding the survey arranged thereon - without fundamentally changing the construction of the turbine blade and its cooling system. It is mög ⁇ lich that only one of the slide elements or both slide elements are processed during an iteration.
  • the two elevations - seen in the flow direction of the cooling channel - offset from one another.
  • the vertical distance between the inner surface of the pressure sidewall and the inner surface of the suction sidewall can be further reduced, resulting in particularly narrow trailing edge regions of airfoils. This reduces aerodynamic losses in hot gas flowing around the airfoil.
  • elevation which is arranged on the inwardly facing surface of the pressure side wall, arranged downstream of that elevation, which is arranged on the inwardly facing surface of the suction side wall.
  • This construction forces coolant flow in the channel, which flows more intensively past the inwardly facing surface of the suction sidewall.
  • cut-back trailing edges an extended film cooling effect of the unprotected end of the suction-side trailing edge can be achieved, which reduces wear phenomena there and extends the service life of the turbine blade.
  • Preferred dimensions plurality of openings are arranged at the trailing edge, wherein the cooling channel connects a plurality jointly Publ ⁇ voltages with the cavity.
  • turbulence can also be generated during operation. zen be generated in the coolant. This turbulence can on the one hand contribute to the throttle effect and on the other hand to increase the heat transfer due turbulentererdemit ⁇ tel-flow.
  • the interior of the turbine blade proposed by the invention can be used both for turbine blades with (for the side walls) common trailing edge and for turbine blades with a so-called cut-back trailing edge.
  • FIG. 3 shows a cross section through the trailing edge region of a turbine blades according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows a cross section through the trailing edge region of a turbine blades according to the invention according to a second embodiment.
  • a gas turbine blade 10 relating to the invention is shown in perspective in FIG.
  • the gas turbine blade 10 is formed according to FIG 1 as a rotor blade.
  • the invention can also be used in a guide vane not shown a gas turbine.
  • the turbine blade 10 comprises a cross-sectionally fir-tree-shaped blade root 12 and a platform 14 arranged thereon.
  • the platform 14 is adjoined by an aerodynamically curved blade 16, which has a leading edge 18 and a trailing edge 20.
  • Provided at the front edge 18 are cooling holes arranged as so-called "shower heads", from which a coolant flowing inside, preferably cooling air, can emerge.
  • the airfoil 16 includes a - with respect to FIG 1 - rear suction side wall 22 and a front side ⁇ pressure side wall 24.
  • the trailing edge 20 Along the trailing edge 20 a plurality of openings 28 are provided, which are separated by interposed webs 30 from each other.
  • the trailing edge 20 is designed as a so-called cut-back trailing edge, so that the openings 28 are located on the pressure side rather than centrally in the trailing edge 20th
  • FIG. 2 shows the interior of a loading from the prior art known turbine blade in a longitudinal section along a plane spanned by a center line, which it extends from the leading edge 18 to the trailing edge 20 of the airfoil 16 ⁇ , and from the blade longitudinally extending extends from the blade root 12 to the blade tip.
  • the Hinterkantenöff ⁇ openings 28 are further arranged on the right, between which the webs 30 are arranged.
  • the webs 30 extend substantially parallel to a hot gas flow, which during operation flows around the blade blade 16 from the front edge 18 to the trailing edge 20.
  • Shown in FIG. 2 on the left is a multiplicity of column or pedestals 32 arranged in a grid. Both the sockets 32 and the webs 30 extend from an inner surface 34 of the suction side wall 22 to an inner surface of the pressure side wall 24, not shown in FIG. 2. Consequently, the sockets 32 are arranged in a cavity 38 of the turbine blade 10, which is laterally separated from the suction side ⁇ tenwand 22 and the pressure side wall 24 is limited.
  • the cavity 38 by a coolant such as cooling air 40 or cooling steam, flows through.
  • a coolant such as cooling air 40 or cooling steam
  • the part of the turbine blade 10, not shown in FIG. 2 is formed in the interior in such a way that the field of pedestals 32 is substantially uniformly flowed through by cooling air 40.
  • the uniform flow of the arranged in grid base 32 is shown by the arrows marked 40.
  • the cooling air 40 strikes individual pedestal 32 and is thereby deflected by the latter, the main flow direction of which remains essentially unchanged. This creates 40 turbulences in the cooling air.
  • the introduced from the hot gas in the show ⁇ feldress 22, 24 heat is passed from these further into the base 32.
  • the cooling air 40 impinging on the base 32 absorbs the heat and transports it. After the cooling air 40 has flowed through the base field, this enters into passages 41 which connect the cavity 38 with the openings 28. After flowing through the passages 41 the cooling air exits 40 through the openings 28 of the turbine blade 10 out and mixes with which the record ⁇ felblatt 16 flowing around the hot gas.
  • elevations 42, 44 are provided on the inner surfaces 34, 36 of the suction side wall 22 or pressure side wall 24.
  • One (42) of the two elevations 42, 44 is arranged on the inner surface 34 or part thereof, the other (44) of the two elevations 42, 44 is located on the inner surface 36 or part of this.
  • the inner surfaces 34, 36 define a cavity 38 and a cooling channel 46, which connects the cavity 38 with the openings 28. It is pos ⁇ lich that cavity 38 and channel 46 merge into each other.
  • the minimum distance between the inner surface 34 and the inner surface 36 in the region of the two elevations 42, 44 is now provided. For this purpose, in FIG.
  • the minimum distance A forming the throttle element is located between the two elevations 42, 44, whereby they are in relation to one another.
  • the elevations 42, 44 replace neither the base 32 nor the webs 30. According to FIG. 3, the elevations 42, 44 extend along the blade longitudinal direction (perpendicular to the plane of the page) over the entire height of the cooling channel 46.
  • the contour of the elevations 42, 44 are As in the cross section shown in FIG 3, derge ⁇ stalt that they allow a continuous and edge-free course of the cooling channel in the flow direction of the coolant to the trailing edge opening 28 out. In this case, the cooling channel 46 converges.
  • the cooling channel 46 may be provided that the
  • Elevations are also designed in the form of ribs, as shown in FIG 4.
  • the elevations 42, 44 have a rib-shaped contour with a height Hi or H 2 .
  • the heights Hi and H 2 are comparatively large, so that a cooling air consumption can be determined which is below the desired or predetermined consumption.
  • the core tool ie the ent ⁇ speaking slide elements are more prototypes gradu- ally produced which always consume slightly more coolant due to reduced rib heights Hi, H2 than the previously ge ⁇ manufactured prototype.
  • Each iteration encompasses the herstel ⁇ len a turbine blade with a defined rib height Hi and H 2 and the determination of the coolant consumption of the corresponding turbine blade prototype.
  • a cooling ⁇ agent consumption is determined corresponding to the desired or predetermined amount, the production of the sliding ⁇ berimplantation is completed, so that with the then available core Tool can be manufactured to an increased extent cores and thus turbine blades ⁇ with the desired coolant consumption, which significantly reduces the reject rate.
  • a turbine blade 10 is specified, which allows a simple and cost-effective test phase during the phase of factory ⁇ production, to provide after completion of the iterations for a series of turbine blades 10 exactly crafted core tool.
  • the casting cores required for casting the turbine blade 10 according to the invention break less frequently during handling than the casting cores known from the prior art.
  • the throttle element comprises only a single elevation 44 (or 42) instead of two elevations 42, 44, so that the minimum distance between a single elevation 44 (or 42) and the opposite, then inwardly facing surface 34 (or 36) of suction side wall 22 (or pressure side wall 36) is located.
  • the opposing surface 34 or 36 may then also be configured flat in the region of the minimum distance.
  • a turbine blade 10 is given to ⁇ , the amount of out of the trailing edge 20 effluent coolant 40 is comparatively easily and accurately set immediately when casting the turbine blade 10 without reworking the cast turbine blade 10 in terms of setting the coolant consumption is necessary ,
  • elevations 42, 44 are located on the inner surfaces 34, 36 of the suction side wall 22 and the pressure side wall 24, between which the throttle element is located, by means of which the quantity of outflowing coolant is adjusted.

Landscapes

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

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10) für eine Gasturbine, deren Menge an aus der Hinterkante (20) ausströmenden Kühlmittel (40) vergleichweise einfach und exakt unmittelbar beim Abgießen der Turbinenschaufel (10) eingestellt ist, ohne dass eine Nachbearbeitung der gegossenen Turbinenschaufel (10) hinsichtlich der Einstellung des Kühlmittelverbrauchs nötig ist. Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass an den Innenflächen (34, 36) der Saugseitenwand (22) bzw. Druckseitenwand (24) Erhebungen (42, 44) angesiedelt sind, zwischen denen sich das Drosselelement befindet, mittels welchem die Menge ausströmenden Kühlmittel (40) eingestellt ist. Diese Anordnung ermöglicht das einfache Herstellen eines Kernwerkzeugs, mit dem die zum Gießen der Turbinenschaufel (10) erforderlichen Gusskerne stets mit der gewünschten Genauigkeit vielfach herstellbar sind.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel für eine Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem von einem Heißgas umströmbaren Schaufelblatt, welches eine Saug¬ seitenwand und eine Druckseitenwand umfasst, die sich in Strömungsrichtung des Heißgases von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante erstrecken, wobei an der Hinterkante zumindest eine Öffnung zum Ausblasen eines das Schau¬ felblatt zuvor kühlenden Kühlmittels angeordnet ist, welche zumindest eine Öffnung mit einem im Schaufelblatt angeordne¬ ten Hohlraum mittels eines Kanals in Strömungsverbindung steht, wobei der Kanal auch von einer nach innen gewandten Fläche der Saugseitenwand und von einer nach innen gewandte Fläche der Druckseitenwand begrenzt ist und zur Einstellung der aus der Öffnung austretenden Kühlmittelmenge ein Drosselelement vorgesehen ist.
Eine eingangs genannte Turbinenschaufel und ein Gusskern zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel sind beispielsweise aus der WO 2003/042503 AI bekannt. Die bekannte Turbinenschaufel weist eine gekühlte Hinterkante auf, an der mehrere Öffnungen zum Ausblasen der Kühlluft durch dazwischen angeordnete Stege - welche im Englischen auch als "tear drops" bekannt sind - voneinander getrennt sind. Den an der Hinterkante angeordneten Öffnungen ist ein gemeinschaftlicher Hohlraum vorgeschaltet, in dem drei Reihen von säulenartigen Sockeln - im Englischen auch bekannt unter dem Namen "Pin-Fins" - angeordnet sind, welche zur Erhöhung des Wärmeübergangs der an ihnen vorbeistreifenden Kühlluft und zur Erhöhung des Druckverlusts dort vorgesehen sind.
Der zur Herstellung einer solchen Turbinenschaufel benötigte Gusskern ist dabei in FIG 7 der WO 2003/042503 AI perspektivisch dargestellt. Der vom Gusskern eingenommene Platz verbleibt nach Herstellung der gegossenen Turbinenschaufel als Hohlraum in der Turbinenschaufel, wobei im Gusskern angeord¬ nete Öffnungen mit Gussmaterial aufgefüllt sind. Insofern stellt der Gusskern das negative Abbild des Inneren der Tur¬ binenschaufel dar.
Die aus der WO 2003/042503 AI bekannten Pin-Fins haben eine zylindrische Form und verbinden die einander gegenüberliegenden Innenflächen der Saugseitenwand und Druckseitenwand des Schaufelblatts der Turbinenschaufel.
Es ist dabei bekannt, die an der Hinterkante der Turbinen¬ schaufel austretende Kühlluftmenge durch eine geeignete Wahl des maximalen Druckverlustes und/oder die kleinste, von der Kühlluft zu durchströmenden Querschnittsfläche nahe der Hin¬ terkante einzustellen. Diese Vorgehensweise kann jedoch zu Gusskernen führen, bei denen die an der Gusskernhinterkante vorgesehenen Öffnungen derartig groß werden, dass zwischen ihnen nur noch vergleichsweise dünne Trennstege verbleiben. Während der Handhabung des Gusskerns kann jedoch genau an dieser Stelle der Gusskern brechen, so dass dieser anschließend unbrauchbar ist.
Des Weiteren sind aus der WO 2003/042503 AI in Wendebereichen von Kühlkanälen angeordnete C-förmige Leitelemente für Kühl¬ luft bekannt, die eine verlustarme Umlenkung und Führung der Kühlluft in stromabwärtige Gebiete bewirken sollen.
Weiter ist aus der EP 1 091 092 A2 eine luftgekühlte Turbi¬ nenschaufel bekannt. Um eine besonders effiziente Kühlung einer hohlwandigen Saug- bzw. Druckseite des Schaufelblatts zu erreichen, sind im Hohlraum der Doppelwand Pins rasterför- mig angeordnet. Die Pins weisen prinzipiell eine Rautenform auf, wobei deren Ecken abgerundet und deren Kanten konkav nach innen gewölbt sind. Zwischen den Pins entsteht somit ein Netz aus Passagen für Kühlluft, die jeweils eine verengte Eingangs- und eine verengte Ausgangsöffnung aufweisen, zwischen denen ein Diffusor- und Düsenabschnitt angeordnet ist. Mit Hilfe der Abschnitte soll die Kühlluft verlangsamt und beschleunigt werden, um die effiziente Kühlung zu erreichen.
Ferner ist aus der US 5,752,801 eine innengekühlte
Turbinenschaufel bekannt, deren hinterkantenseitigen
Kühlkanäle durch eingegossene c-förmige Rippen zickzackförmig ausgestaltet sind. Damit kann eine bessere Kühlwirkung erzielt werden. Zudem lassen sich die für die Herstellung erforderlichen Gusskerne damit versteifen.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer ein- gangs genannten Turbinenschaufel für eine Gasturbine, die mit einer möglichst geringen Menge an Kühlmittel effizient und ausreichend kühlbar ist.
Die auf die Turbinenschaufel gerichtet Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst, wobei vorteilhafte Lösungen in den Anspruch 2 bis 6 angeführt sind .
Die Turbinenschaufel für eine Gasturbine umfasst ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt, welches eine Saug¬ seitenwand und eine Druckseitenwand umfasst, die sich in Strömungsrichtung des Heißgases von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante erstrecken, wobei an oder in der Hinterkante zumindest eine Öffnung zum Ausblasen eines das Schaufelblatt zuvor kühlenden Kühlmittels angeordnet ist, welche zumindest eine Öffnung mit einem in Schaufelblatt an¬ geordneten Hohlraum mittels eines Kanals in Strömungsverbindung steht, wobei der Kanal auch von einer nach innen gewandten Fläche der Saugseitenwand und von einer nach innen ge¬ wandten Fläche der Druckseitenwand begrenzt ist und zur Ein¬ stellung der aus der Öffnung austretenden Kühlluftmenge ein Drosselelement vorgesehen ist, wobei erfindungsgemäß das Drosselelement stromauf - in Bezug auf die Durchströmungs¬ richtung des Kanals - der betreffenden Öffnung angeordnet ist und zwei Erhebungen umfasst, die jeweils an einer der beiden nach innen gewandten Flächen angeordnet sind. Mit anderen Worten: das Drosselelement umfasst an den nach innen gewandten Flächen angeordnete Erhebungen, die sich quer zur Durchströmungsrichtung des Kanals erstrecken und zwischen denen der minimale Durchströmungsquerschnitt des Kanals ange¬ ordnet ist. Zur Bestimmung des minimalen Durchströmungsquerschnitts ist der minimale senkrechte Abstand zwischen jeweils der neutralen Faser der Kühlmittelströmung und einer der beiden Seitenflächen im Kühlkanal zu erfassen.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zu Grunde, dass der Kühlmittelverbrauch mit der vorgeschlagenen Konstruktion besonders einfach und exakt einstellbar ist, in dem im Schau¬ felinneren stromauf der Hinterkantenöffnung das Drosselelement angeordnet ist. Dabei soll das Drosselelement von zwei aneinander in Relation stehenden Erhebungen gebildet werden, von denen jeweils eine an der nach innen gewandten Fläche der Saugseitenwand und Druckseitenwand angeordnet sind. Keine der Erhebungen verbindet die Saugseitenwand mit der Druckseiten¬ wand. Diese Aus führungs form des Drosselelementes ist insbe¬ sondere für im Gießverfahren hergestellte Turbinenschaufeln vorteilhaft. Bekanntermaßen werden Turbinenschaufeln zumeist in Gießverfahren hergestellt, bei denen sogenannte verlorene Gusskerne zur Herstellung des inneren Kühlsystems verwendet werden. Die Herstellung dieser Gusskerne erfolgt zumeist mit Hilfe eines Kernwerkzeugs. Das Kernwerkzeug umfasst zwei Schieberelemente, die aufeinander zu bzw. voneinander weg be¬ wegt werden können. Zusammengeschoben umgeben diese Schieberelemente einen Hohlraum, der die gleiche Kontur wie der Hohlraum der zu gießenden Turbinenschaufel hat. Zur Herstellung des Gusskerns wird in den Hohlraum der Schieberelemente das Gusskernmaterial eingefügt. Nach dem Trocknen des Gusskern¬ materials steht der Gusskern zur Herstellung der Turbinenschaufel zur Verfügung.
Erfindungsgemäß werden die Schieberelemente zur Herstellung eines ersten Prototyps der zu fertigenden Turbinenschaufel- Serie dabei so ausgebildet, dass in dem zu fertigenden Turbi¬ nenschaufel-Prototyp der drosselnde, minimale Abstand zwi- sehen den Erhebungen auf jeden Fall kleiner als der theoretisch erforderliche ist. Der damit hergestellte erste Turbi¬ nenschaufel-Prototyp wird dann einer Kühlmittel-Durchfluss- messung unterzogen. Wunschgemäß ist aufgrund des erstmals zu geringen Abstands zwischen den Erhebungen die Drosselwirkung zu groß, was vorerst zu einer zu geringen Durchflussmenge führt. In Abhängigkeit des Ergebnisses der Durchflussmessung werden dann die Schieberelemente verändert. Deren Erhebungen werden geringfügig verändert, wodurch sich im zusammen geschobenen Zustand deren minimaler Abstand vergrößert. Anschließend wird ein weiterer Gusskern damit hergestellt. Mit diesem wird ein weiterer Turbinenschaufel-Prototyp herge¬ stellt, dessen Durchflussmenge dann erneut ermittelt und mit der gewünschten Menge verglichen wird. Entspricht die ermit¬ telte Durchflussmenge der gewünschten Durchflussmenge, ist der Herstellungsprozess der Schieberelemente abgeschlossen. Die Schieberelemente sind dann so ausgebildet, dass mit ihnen stets Gusskerne hergestellt werden, mit denen sich bestim¬ mungsgemäße Turbinenschaufeln in Serie fertigen lassen. Für den Fall, die die zuletzt ermittelte Durchflussmenge nicht der gewünschten Durchflussmenge entspricht, werden erneut alle Schritte zur Herstellung eines weiteren Turbinenschau¬ fel-Prototyps durchgeführt, dessen minimaler Abstand gegen¬ über dem vorherigen Prototypen etwas vergrößert ist.
Der besondere Vorteil der vorgeschlagenen Lösung liegt darin, dass jeder der beiden Schieber jeweils für sich alleine bearbeitet werden kann - etwa durch Schleifen der daran angeordneten Erhebung - ohne die Konstruktion der Turbinenschaufel und deren Kühlsystem grundlegend zu ändern. Es ist dabei mög¬ lich, dass während eines Iterationsschritts nur einer der Schieberelemente oder auch beide Schieberelemente bearbeitet werden .
Diese Methode bietet sich auch insbesondere bei Modifika¬ tionen bereits bestehender Schaufeln an für den Fall, dass mehr Kühlluft zur ausreichenden Kühlung gebraucht wird. In diesem Fall sind nur geringste Änderungen im Schaufeldesign erforderlich. Eine zusätzliche Qualifikation wegen einer ansonsten erforderlichen Gussänderung ist somit nicht notwendig.
Insgesamt führt die Erfindung zur Erniedrigung der Ausschuss¬ quote bei der Herstellung von Turbinenschaufeln, was die Produktionskosten und die Produktionszeit von Turbinenschaufeln signifikant verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden Erhebungen - in Strömungsrichtung des Kühlkanals gesehen - versetzt zueinander angeordnet. Durch das versetzte Anordnen kann der senkrechte Abstand zwischen der inneren Fläche der Druckseitenwand und der inneren Fläche der Saugseitenwand weiter reduziert werden, was zu besonders schmalen Hinterkantenbereichen von Schaufelblättern führt. Dies verringert aerodynamische Verluste im das Schaufelblatt umströmenden Heißgas .
Vorteilhafter Weise ist diejenige Erhebung, welche an der nach innen gewandten Fläche der Druckseitenwand angeordnet ist, stromab derjenigen Erhebung angeordnet, welche an der nach innen gewandten Fläche der Saugseitenwand angeordnet ist. Diese Konstruktion erzwingt eine Kühlmittelströmung im Kanal, die verstärkt an der nach innen gewandten Fläche der Saugseitenwand vorbei strömt. Hierdurch kann insbesondere bei den so genannten Cut-Back-Hinterkanten eine verlängerte Filmkühlwirkung des ungeschützten Endes der saugseitigen Hinterkante erreicht werden, was dort Verschleißerscheinungen reduziert und die Lebensdauer der Turbinenschaufel verlängert.
Bevorzugtermaßen sind an der Hinterkante mehrere Öffnungen angeordnet, wobei der Kühlkanal gemeinschaftlich mehrere Öff¬ nungen mit dem Hohlraum verbindet.
Wenn die Erhebungen als Rippen ausgebildet sind, können mit Hilfe dieser kantigen Kontur der nach innen gewandten Flächen der Seitenwände des Schaufelblatts im Betrieb auch Turbulen- zen im Kühlmittel erzeugt werden. Diese Turbulenzen können einerseits zur Drosselwirkung beitragen und andererseits zur Erhöhung des Wärmeübergangs aufgrund turbulenterer Kühlmit¬ tel-Strömung .
Das mit der Erfindung vorgeschlagene Interieur der Turbinenschaufel kann sowohl für Turbinenschaufeln mit (für die Seitenwände) gemeinsamer Hinterkante angewendet werden als auch für Turbinenschaufeln mit einer sogenannten Cut-Back-Hinterkante .
Eine weitere vorteilhafte Aus führungs form der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
FIG 1 eine Turbinenlaufschaufel in einer perspektivischen
Darstellung,
FIG 2 einen Längsschnitt durch den Bereich der Hinterkante der aus dem Stand der Technik bekannten Turbinenlaufschaufel,
FIG 3 einen Querschnitt durch den Hinterkantenbereich einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln nach einer ersten Ausgestaltung und
FIG 4 einen Querschnitt durch den Hinterkantenbereich einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln nach einer zweiten Ausgestaltung.
Gleiche Merkmale sind in allen Figuren mit identischen Be¬ zugszeichen versehen.
Eine die Erfindung betreffende Gasturbinenschaufel 10 ist in FIG 1 perspektivisch dargestellt. Die Gasturbinenschaufel 10 ist gemäß FIG 1 als Laufschaufei ausgebildet. Die Erfindung kann auch in einer nicht dargestellten Leitschaufel einer Gasturbine verwendet werden. Die Turbinenschaufel 10 umfasst einen im Querschnitt tannenbaumförmigen Schaufelfuß 12 sowie eine daran angeordnete Plattform 14. An die Plattform 14 schließt sich ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 16 an, welches eine Vorderkante 18 sowie eine Hinterkante 20 aufweist. An der Vorderkante 18 sind als sog. "Shower Head" angeordnete Kühlöffnungen vorgesehen, aus denen ein im Inneren strömendes Kühlmittel, vorzugsweise Kühlluft, austreten kann. Das Schaufelblatt 16 umfasst eine - bezüglich FIG 1 - rückseitige Saugseitenwand 22 sowie eine vorderseitige Druck¬ seitenwand 24. Entlang der Hinterkante 20 sind eine Vielzahl von Öffnungen 28 vorgesehen, welche durch dazwischen angeordnete Stege 30 voneinander getrennt sind. Die Hinterkante 20 ist dabei als so genannte Cut-Back-Hinterkante ausgebildet, so dass die Öffnungen 28 eher druckseitig angesiedelt sind als mittig in der Hinterkante 20.
FIG 2 zeigt das Innere einer aus dem Stand der Technik be- kannten Turbinenschaufel in einem Längsschnitt entlang einer Ebene, aufgespannt von einer Mittenlinie, welche sich von der Vorderkante 18 zur Hinterkante 20 des Schaufelblattes 16 er¬ streckt, und von der Schaufellängsrichtung, welche sich von Schaufelfuß 12 zur Schaufelspitze hin erstreckt.
In FIG 2 sind weiter rechts angeordnet die Hinterkantenöff¬ nungen 28 dargestellt, zwischen denen die Stege 30 angeordnet sind. Die Stege 30 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Heißgasströmung, welche beim Betrieb das Schaufel- blatt 16 von der Vorderkante 18 zur Hinterkante 20 umströmt. In FIG 2 links dargestellt ist eine Vielzahl von in einem Raster angeordnete Säulen- bzw. Sockeln 32 vorgesehen. Sowohl die Sockeln 32 als auch die Stege 30 erstrecken sich dabei von einer Innenfläche 34 der Saugseitenwand 22 zu einer in FIG 2 nicht dargestellten Innenfläche der Druckseitenwand 24. Folglich sind die Sockeln 32 in einem Hohlraum 38 der Turbinenschaufel 10 angeordnet, welcher seitlich von der Saugsei¬ tenwand 22 und der Druckseitenwand 24 begrenzt ist. Bei der Verwendung der Turbinenschaufel 10 in einer Gasturbine wird während des Betriebes der Hohlraum 38 von einem Kühlmittel, beispielsweise Kühlluft 40 oder Kühldampf, durch- strömt. In der Regel ist der in FIG 2 nicht dargestellte Teil der Turbinenschaufel 10 im Inneren so ausgebildet, dass das Feld von Sockeln 32 im Wesentlichen gleichmäßig von Kühlluft 40 angeströmt wird. Die gleichmäßige Anströmung der im Raster angeordneten Sockel 32 ist durch die mit 40 markierten Pfeile gezeigt. Die Kühlluft 40 trifft auf einzelne Sockel 32 und wird dabei von diesen umgelenkt, wobei deren Hauptströmungs¬ richtung im Wesentlichen unverändert bleibt. Dabei entstehen in der Kühlluft 40 Turbulenzen. Die vom Heißgas in die Schau¬ felwände 22, 24 eingebrachte Wärme wird von diesen weiter in die Sockel 32 geleitet. Dort nimmt die die auf die Sockel 32 auftreffende Kühlluft 40 die Wärme auf und transportiert sie ab. Nachdem die Kühlluft 40 das Sockelfeld durchströmt hat, tritt diese in Passagen 41 ein, welche den Hohlraum 38 mit den Öffnungen 28 verbinden. Nach Durchströmen der Passagen 41 tritt die Kühlluft 40 durch die Öffnungen 28 aus der Turbi¬ nenschaufel 10 heraus und vermischt sich mit dem das Schau¬ felblatt 16 umströmenden Heißgas.
Um nun die Menge an die Öffnungen 28 verlassendem Kühlmittel einzustellen, sind an den Innenflächen 34, 36 der Saugseitenwand 22 bzw. Druckseitenwand 24 Erhebungen 42, 44 (FIG 3, FIG 4) vorgesehen. Die eine (42) der beiden Erhebungen 42, 44 ist an der Innenfläche 34 angeordnet bzw. Teil dieser, die andere (44) der beiden Erhebungen 42, 44 ist an der Innenfläche 36 angesiedelt bzw. Teil dieser. Die Innenflächen 34, 36 begrenzen einen Hohlraum 38 sowie einen Kühlkanal 46, welcher den Hohlraum 38 mit den Öffnungen 28 verbindet. Dabei ist es mög¬ lich, dass Hohlraum 38 und Kanal 46 ineinander übergehen. Erfindungsgemäß ist nun der minimale Abstand zwischen der In- nenfläche 34 und der Innenfläche 36 im Bereich der beiden Erhebungen 42, 44 vorgesehen. Hierzu ist - in FIG 3 in Bezug auf den darin gezeigten Querschnitt durch die Hinterkante 20 der Turbinenschaufel 10 - die neutrale Faser 47 des Kühl- kanals 46 gezeigt, welche stets den gleichen senkrechten Ab¬ stand zur Innenfläche 34 und Innenfläche 36 aufweist. Der das Drosselelement bildende minimale Abstand A ist dabei zwischen den beiden Erhebungen 42, 44 angesiedelt, wodurch diese in Relation zueinander sind.
Die Erhebungen 42, 44 ersetzen weder die Sockel 32 noch die Stege 30. Gemäß FIG 3 erstrecken sich die Erhebungen 42, 44 entlang der Schaufellängsrichtung (senkrecht zur Blattebene) über die gesamte Höhe des Kühlkanals 46. Die Kontur der Erhebungen 42, 44 sind, wie im gezeigten Querschnitt gemäß FIG 3, derge¬ stalt, dass sie einen stufenlosen und kantenfreien Verlauf des Kühlkanals in Strömungsrichtung des Kühlmittels zur Hinterkantenöffnung 28 hin ermöglichen. Dabei konvergiert der Kühlkanal 46. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die
Erhebungen auch in Form von Rippen ausgestaltet sind, wie in FIG 4 dargestellt.
Gemäß FIG 4 weisen die Erhebungen 42, 44 eine rippenförmige Kontur mit einer Höhe Hi bzw. H2 auf.
Beim Herstellen eines ersten Prototyps der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel sind die Höhen Hi und H2 vergleichsweise groß, so dass ein Kühlluftverbrauch ermittelt werden kann, der unterhalb des gewünschten bzw. vorgegebenen Verbrauchs liegt. Durch Modifikation des Kernwerkzeugs, d. h. der ent¬ sprechenden Schieberelemente, sind weitere Prototypen sukzes- sive herstellbar, die aufgrund verringerter Rippenhöhen Hi, H2 stets etwas mehr Kühlmittel verbrauchen als der zuvor ge¬ fertigte Prototyp. Jede Iteration umfasst dabei das Herstel¬ len einer Turbinenschaufel mit einer definierten Rippenhöhe Hi und H2 und die Bestimmung des Kühlmittelverbrauchs des entsprechenden Turbinenschaufel-Prototyps. Alsbald ein Kühl¬ mittelverbrauch festgestellt wird, der der gewünschten bzw. vorgegebenen Menge entspricht, ist die Herstellung der Schie¬ berelemente beendet, so dass mit dem dann verfügbaren Kern- Werkzeug in erhöhtem Maße Gusskerne und damit Turbinenschau¬ feln mit dem gewünschten Kühlmittelverbrauch hergestellt werden können, was die Ausschussquote signifikant verringert. De facto ist mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung eine Turbinenschaufel 10 angegeben, die während der Phase der Werk¬ zeugherstellung eine einfache und kostengünstige Testphase ermöglicht, um nach Abschluss der Iterationen für eine Serie von Turbinenschaufeln 10 exakt gefertigtes Kernwerkzeug be- reitzustellen .
Weiter ist sogar möglich, dass die zum Gießen der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 benötigten Gusskerne seltener bei der Handhabung brechen als die aus dem Stand der Technik be- kannten Gusskerne.
Selbstverständlich ist auch möglich, dass das Drosselelement anstelle von zwei Erhebungen 42, 44 nur eine einzige Erhebung 44 (oder 42) umfasst, so dass der die Durchflussmenge bestim- mende minimale Abstand zwischen einer einzigen Erhebung 44 (oder 42) und der ihre gegenüberliegenden, dann nach innen gerichteten Fläche 34 (oder 36) der Saugseitenwand 22 (oder der Druckseitenwand 36) angesiedelt ist. In diesem Fall kann die gegenüberliegenden Fläche 34 bzw. 36 dann im Bereich des minimalen Abstands auch eben ausgestaltet sein.
Insgesamt wird mit der Erfindung eine Turbinenschaufel 10 an¬ gegeben, deren Menge an aus der Hinterkante 20 ausströmenden Kühlmittel 40 vergleichweise einfach und exakt unmittelbar beim Abgießen der Turbinenschaufel 10 eingestellt ist, ohne dass eine Nachbearbeitung der gegossenen Turbinenschaufel 10 hinsichtlich der Einstellung des Kühlmittelverbrauchs nötig ist. Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass an den Innenflächen 34, 36 der Saugseitenwand 22 bzw. Druckseiten- wand 24 Erhebungen 42, 44 angesiedelt sind, zwischen denen sich das Drosselelement befindet, mittels welchem die Menge ausströmenden Kühlmittel eingestellt ist. Diese Anordnung er¬ möglicht das einfache Herstellen eines Kernwerkzeugs, mit dem die zum Gießen der Turbinenschaufel 10 erforderlichen Gusskerne stets mit der gewünschten Genauigkeit vielfach herstellbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (10) für eine Gasturbine,
mit einem von einem Heißgas umströmbaren Schaufelblatt
(16), welches eine Saugseitenwand (22) und eine Drucksei¬ tenwand (24) umfasst, die sich in Strömungsrichtung des Heißgases von einer gemeinsamen Vorderkante (18) zu einer Hinterkante (20) erstrecken,
wobei an der Hinterkante (20) zumindest eine Öffnung (28) zum Ausblasen eines das Schaufelblatt (16) zuvor kühlenden Kühlmittels (40) angeordnet ist, welche mit einem im Schau¬ felblatt (16) angeordneten Hohlraum (38) mittels eines Kanals (46) in Strömungsverbindung steht,
wobei der Kanal (46) auch von einer nach innen gewandten
Fläche (34) der Saugseitenwand (22) und von einer nach innen gewandte Fläche (36) der Druckseitenwand (24) be¬ grenzt ist und zur Einstellung der aus der Öffnung (28) austretenden Kühlmittelmenge ein Drosselelement vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drosselelement stromauf - in Bezug auf die Durchströ¬ mungsrichtung des Kanals (46) - der betreffenden Öffnung (28) zwei Erhebungen (42, 44) umfasst, die jeweils an einer der beiden nach innen gewandten Flächen (34, 36) angeordnet sind .
2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der die beiden Erhebungen (42, 44) - in Durchströmungs- richtung des Kühlkanals (46) gesehen - versetzt zueinander angeordnet sind.
3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2,
bei der diejenige Erhebung (42, 44), welche an der nach innen gewandten Fläche (36) der Druckseitenwand (24) angeordnet ist, stromab derjenigen Erhebung (42, 44) angeordnet ist, welche an der nach innen gewandten Fläche (34) der Saugseitenwand (22) angeordnet ist.
4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der an der Hinterkante (20) mehrere Öffnungen (28) angeordnet sind und der Kühlkanal (46) gemeinschaftlich mehrere Öffnungen (28) mit dem Hohlraum (38) verbindet.
5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
bei der die Erhebungen (42, 44) als Rippen ausgebildet sind .
6. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Kühlkanal (46) konvergiert und die beiden Erhebungen (42, 44) unter einem stufenlosen und
kantenfreien Verlauf an den nach innen gewandten Flächen (34, 36) angesiedelt sind.
7. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
bei der die Öffnungen (28) druckwandseitig vorgesehen sind
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