EP1006263A1 - Vane cooling - Google Patents
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- EP1006263A1 EP1006263A1 EP98811184A EP98811184A EP1006263A1 EP 1006263 A1 EP1006263 A1 EP 1006263A1 EP 98811184 A EP98811184 A EP 98811184A EP 98811184 A EP98811184 A EP 98811184A EP 1006263 A1 EP1006263 A1 EP 1006263A1
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- European Patent Office
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- recess
- cooling
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Classifications
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- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
- F01D5/187—Convection cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
Definitions
- the invention relates to devices for guiding the flow of a cooling fluid in one Cooling channel of an internally cooled blade of a turbomachine, in particular one Gas turbine.
- turbomachines in particular gas turbines
- the efficiency of turbomachines can be improved by increasing the pressure and the temperature of the fluid as parameters determining the cycle.
- the fluid temperatures that are common today in the operation of turbomachinery, especially in the turbine inlet area, are already well above the permissible material temperatures of the components. Above all, the blading of the turbine is directly exposed to the hot fluid flow. The heat dissipation of the turbine blades caused by the heat conduction of the material is generally not sufficient to prevent the blades from overheating. Too high material temperatures initially lead to a decrease in the strength values of the material. This often leads to cracking in components. If the melting temperature of the material is exceeded, the component is locally or completely destroyed.
- convection cooling is predominantly used as a cooling method for cooling blades by means of a cooling fluid, mostly cooling air, which is common today.
- the cooling fluid is passed through the blades, which are each hollow or provided with cooling channels.
- the material temperature that is set is therefore below the maximum permissible temperature of the blade material.
- the cooling fluid usually flows out into the main flow via one or more openings in the blade wall. Often, however, the cooling fluid is also conducted into another internal chamber at the end of the cooling channel and from there into another cooling channel or also into the main flow.
- Another method for cooling blades is the so-called film cooling.
- a cooling fluid usually also cooling air, which is supplied in cooling channels, is blown out onto the blade surface through openings in the blade.
- the cooling fluid forms a separating layer, similar to a fluid film, between the blade wall and the hot flow fluid. Thus there is no direct heat transfer between the hot fluid of the main flow and the blade.
- the invention has for its object the flow of a cooling fluid of a cooled Guide blade of a turbomachine.
- At least one insertion element is arranged in at least one recess in the blade for guiding the cooling fluid.
- the blade has at least one supply opening for supplying cooling fluid into the cooling channel and moreover at least one further opening.
- the cutout and the insertion element extend in the longitudinal direction of the blade only over a partial area of the blade.
- the insert element projects at least partially into at least one cooling channel of the blade.
- the recess and the insertion element are preferably designed with a rectangular or slot-shaped cross section.
- the cross section to be considered here is the cross section perpendicular to the insertion direction of the insertion element. It is particularly expedient to carry out the dimensions of the cutout and of the insertion element in the form of an interference fit.
- the insert element can be inserted into the recess by means of a positive connection.
- the insertion element is often also soldered appropriately.
- the recess can be manufactured and processed in a simple manner in terms of production technology.
- the outer contour of the insert element is advantageously adapted to the contour of the blade profile at the point of the recess. In this way, tripping point-like transitions in the course of the wall contour of the blade are avoided. Such tripping point-like transitions would lead to higher flow losses in the main flow of the turbomachine.
- at least the insert element has a shoulder or a continuously reducing cross-section.
- the cross section of the insert element is advantageously reduced in the insertion direction of the insert element into the recess.
- the recess is expediently designed in the same way so that the insert element can be inserted into the recess by means of a positive connection.
- the insert element arranged in this way also advantageously has at least one flow channel arranged in the insert element.
- a groove is preferably arranged in the insertion element such that this groove forms the flow channel together with the adjacent top wall and / or an adjacent side wall of the blade.
- the flow channel is connected to the cooling channel via at least one opening and moreover preferably has at least one outlet opening.
- the flow channel is usually designed with a smaller flow cross section than the cooling channel.
- the outlet opening of the flow channel is particularly expedient to design the outlet opening of the flow channel as a through opening in the adjacent top wall and / or an adjacent side wall. If the cooling channel has no further outlet openings, the entire cooling fluid supplied to the cooling channel flows through the flow channel. If there are further outlet openings of the cooling channel, the cooling fluid mass flow is divided accordingly. If several cooling channels are arranged in the blade or the cooling channel is subdivided into partial channels, the outlet opening of the flow channel can also expediently open into a further cooling channel or a further partial channel of the cooling channel. It was found that by means of such a flow channel, the cooling fluid can be guided in a targeted manner along the adjacent top wall and / or the adjacent side wall. This enables targeted cooling of wall areas that were previously poorly or not at all cooled.
- the recess and the insertion element are also advantageous to arrange the recess and the insertion element so that the in the recess arranged insert element directly to the top wall and / or at least one side wall is adjacent or at least partially in the top wall and / or Sidewall is integrated and at least one opening of the cooling channel at least partially closed.
- the cooling channel is additional to the inlet opening and the outlet openings further or too large openings through which the cooling fluid would escape too quickly. Such openings can occur, for example, as a result of casting core mounts due to casting technology.
- FIG. 1 shows an internally cooled blade 110 of a turbomachine with a recess 121 according to the invention and one according to the invention in the recess arranged insertion element 120.
- the blade 110 shown is in the region of the Insert element 120 executed without a cover tape.
- the one running in the blade 110 Cooling channel is not shown in Figure 1.
- the recess 121 and the insertion element 120 are here approximately vertical in the area of the blade tip in an advantageous embodiment arranged to the blade height direction 118.
- the Recess 121 and the insert element 120 in the area of maximum blade thickness in the Blade arranged and extend in the longitudinal direction of the blade only over a portion the shovel.
- the recess 121 and the insert element 120 have a rectangular shape Cross section on.
- the cross section considered here is the cross section perpendicular to Direction of insertion of the insertion element.
- the dimensions of the recess 121 and the Insert elements 120 are expediently realized with one another as a press fit.
- the insert element is fixed in the recess by means of soldering. This makes it in one simple and inexpensive way possible to insert the insert element in the recess fasten.
- the outer contour of the insert element 120 is the blade profile contour adjusted at the location of the recess. As a result, trip hazards become Transitions in the contour of the blade avoided.
- FIG. 2 the arrangement according to the invention of the insertion element 220 in the cutout 221 of the blade 210 is shown in perspective in a section through the blade 210.
- the blade 210 which is hollow on the inside, has, in addition to a pressure-side and a suction-side wall 211, a top wall 212 which closes off the cavity inside the blade.
- the cavity inside the blade serves here as a one-piece cooling channel 213 of the blade 210.
- the cooling fluid 230 is fed to the blade through a feed opening in the blade root, not shown in the figure.
- the insertion element 220 shown in FIG. 2 is arranged in the blade tip region approximately perpendicular to the blade height direction in the recess 221.
- the recess 221 and the insert element 220 only extend over a partial area of the blade 210, whereas both the recess 221 and the insert element 220 extend continuously in the blade thickness direction from the pressure side to the suction side of the blade.
- the outer contours of the insert element 220 are expediently adapted to the outer profile contours of the blade 210, and thus the pressure-side and suction-side blade profile contours.
- the recess 221 and the insertion element 220 are each designed with a cross-section that is matched to one another and are joined together by means of an interference fit.
- the flat top of the insert element 220 directly adjoins the inside of the blade of the top wall 212.
- the insert element 220 in the illustrated embodiment of the invention has a plurality of grooves such that two grooves arranged separately from one another on the upper side of the insert element 220 form two flow channels 222 together with the top wall 212. These flow channels 222 thus run parallel to the top wall 212 along this.
- the flow channels 212 are connected to the cooling channel 213 of the blade 210 via further openings 223 arranged in the front end face of the insertion element 220. Cooling fluid 230 can thus flow from the cooling channel 213 into the flow channels 222.
- the illustrated flow channels 222 and the openings 223 are designed as rectangular grooves; the designs of the grooves are, however, basically freely selectable.
- an outlet opening 224 realized as a through opening is arranged in the top wall 212 or in the side wall 211 for each flow duct 222.
- FIG. 3 shows the arrangement of the passage opening 224 in the side wall 211 of the blade in FIG an enlargement.
- the passage opening 224 is designed here as a bore and runs placed obliquely to the surface of the side wall 211.
- the passage opening opens here at the closed end of the flow channel 222 in this.
- the angle of attack of the Passage openings 224 were advantageously chosen here so that emerging fluid unites has as small a misalignment as possible to the main flow flowing around the blade. If the cooling fluid 230 in the blade 210 has a higher resting pressure than that Fluid flowing around the blade of the main flow, then flows out of the cooling channel 213 Flow channel 222 supplied cooling fluid through the passage openings 224 in the Main flow.
- a continuous cooling fluid flow is thus formed through the Flow channels and the passage openings.
- FIG. 4 shows a side view of a section through an internally cooled blade with a further embodiment of the insert element 320 arranged according to the invention in the recess 321.
- the section runs in the center of the blade and shows, in addition to the cut top wall 312 of the blade, a section of the cooling channel 313 running in the blade.
- the arrangement of the recess 321 was chosen here so that part of the recess 321 extends into the top wall 312.
- the insertion element 320 inserted into the recess 321 is also partially fitted into the top wall 312 here.
- the insert element 320 expediently has a rectangular cross section. The insert element is thus positioned in the recess by means of a positive connection.
- the insert element and the cutout can also be designed with other cross sections, for example with oval, trapezoidal, rhomboidal or polygonal cross sections, which, however, are then in turn to be coordinated with one another.
- the insert element 320 in the embodiment shown has two grooves, which are shown in the center in FIG. 4. The groove arranged on the upper side of the insert element, together with the adjacent top wall 312, forms a flow channel 322 running parallel to the top wall on the underside of the top wall. This flow channel 322 is via the opening 323 through the second one, which is arranged on the end face of the insert element 320 Groove is formed, connected to the cooling channel 313.
- the opening 323 could also be designed as a bore provided in the insertion element.
- a passage opening 324 is made in the top wall 312 by means of an obliquely positioned bore. This passage opening 324 opens into the end of the flow channel 322, which is closed toward the cooling channel. Cooling fluid 330 flows from the cooling channel 313 via the flow channel 322 arranged in the insertion element 320 into the passage opening 324 and from there onto the top of the top wall 312 and thus into the main flow flowing around the blade. By means of the cooling fluid 330 guided in the flow channel 322, a targeted cooling of the wall adjoining the flow channel 322 is established. Furthermore, the passage opening 324 can be designed with a larger cross section due to the upstream arrangement of the flow channel 322 and the pressure loss occurring in the flow channel 322 compared to an arrangement without an upstream flow channel. This leads to a lower risk of clogging the passage openings during the operation of a turbomachine due to foreign particles.
- FIG. 5 Another embodiment of the invention is shown in Figure 5 in a section through a internally cooled shovel shown.
- the cooling channel shown here is by a Partition 417 divided into two sub-channels 415, 416.
- the arrangement according to the invention of the insert element 420 in the recess 421 of the blade in the one shown here Implementation of the invention corresponds to the arrangement according to Figure 4. This correspondence limits the freely and independently selectable configurations of the Invention in Figures 4 and 5 is not a.
- this flows out Cooling fluid 430 does not enter the main flow, but is introduced by means of the insertion element 420 diverted from the first sub-channel 415 of the cooling channel into the second sub-channel 416.
- the flow channel 422 arranged in the insertion element 420 is in each case by means of a Opening 423 connected to the respective sub-channels 415, 416. That in that Flow channel 422 along the top wall 412 from the first sub-channel 415 into the second Sub-channel 416 flowing cooling fluid 430 leads to a targeted cooling of the Cover wall 412.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Führung der Strömung eines Kühlfluides in einem Kühlkanal einer innengekühlten Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine.The invention relates to devices for guiding the flow of a cooling fluid in one Cooling channel of an internally cooled blade of a turbomachine, in particular one Gas turbine.
Der Wirkungsgrad von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen, kann über eine
Erhöhung des Druckes und der Temperatur des Fluides als den Kreisprozeß bestimmende
Parameter verbessert werden.
Die im Betrieb von Turbomaschinen heutzutage üblichen Fluidtemperaturen liegen
insbesondere im Turbineneintrittsbereich bereits deutlich über den zulässigen
Materialtemperaturen der Bauteile. Vor allem die Beschaufelung der Turbine ist hierbei
unmittelbar der heißen Fluidströmung ausgesetzt. Die durch die Wärmeleitung des Materials
bedingte Wärmeabfuhr der Turbinenschaufeln ist in der Regel nicht ausreichend, um eine
Übertemperatur der Schaufeln zu vermeiden. Zu hohe Materialtemperaturen führen zunächst
zu einem Rückgang der Festigkeitswerte des Werkstoffs. Hierbei kommt es oftmals zur
Rißbildung in Bauteilen. Im Falles des Überschreitens der Schmelztemperatur des Werkstoffs
kommt es darüber hinaus zu einer lokalen oder auch vollständigen Zerstörung des Bauteils.
Um diese fatalen Folgen zu vermeiden, ist es somit erforderlich, insbesondere die
Turbinenschaufeln einer Turbomaschine zusätzlich zu kühlen.
Als ein heutzutage übliches Kühlverfahren zur Kühlung von Schaufeln mittels eines
Kühlfluides, zumeist Kühlluft, kommt vorwiegend die sogenannte Konvektionskühlung zum
Einsatz. Hierbei wird das Kühlfluid durch die jeweils hohl ausgebildeten oder mit
Kühlkanälen versehenen Schaufeln geleitet. Infolge der niedrigeren Temperatur des
Kühlfluides im Vergleich zur Temperatur des Schaufelmaterials kommt es infolge
erzwungener Konvektion in den Kühlkanälen zu einem Wärmeübergang zwischen dem
Schaufelmaterial und dem Kühlfluid. Bei einer effizienten Kühlung liegt die sich einstellende
Materialtemperatur somit unter der maximal zulässigen Temperatur des Schaufelwerkstoffs. The efficiency of turbomachines, in particular gas turbines, can be improved by increasing the pressure and the temperature of the fluid as parameters determining the cycle.
The fluid temperatures that are common today in the operation of turbomachinery, especially in the turbine inlet area, are already well above the permissible material temperatures of the components. Above all, the blading of the turbine is directly exposed to the hot fluid flow. The heat dissipation of the turbine blades caused by the heat conduction of the material is generally not sufficient to prevent the blades from overheating. Too high material temperatures initially lead to a decrease in the strength values of the material. This often leads to cracking in components. If the melting temperature of the material is exceeded, the component is locally or completely destroyed. In order to avoid these fatal consequences, it is therefore necessary to additionally cool the turbine blades of a turbomachine in particular.
So-called convection cooling is predominantly used as a cooling method for cooling blades by means of a cooling fluid, mostly cooling air, which is common today. Here, the cooling fluid is passed through the blades, which are each hollow or provided with cooling channels. As a result of the lower temperature of the cooling fluid compared to the temperature of the blade material, there is a heat transfer between the blade material and the cooling fluid as a result of forced convection in the cooling channels. With efficient cooling, the material temperature that is set is therefore below the maximum permissible temperature of the blade material.
Das Kühlfluid strömt am Ende des Kühlkanals zumeist über eine oder mehrere Öffnungen in
der Schaufelwand in die Hauptströmung aus. Oftmals wird das Kühlfluid aber auch am Ende
des Kühlkanal in eine weitere, interne Kammer geleitet und gelangt von dort in einen
weiteren Kühlkanal oder auch in die Hauptströmung.
Ein weiteres Verfahren zur Kühlung von Schaufeln stellt die sogenannte Filmkühlung dar.
Hierbei wird ein Kühlfluid, zumeist ebenso Kühlluft, das in Kühlkanälen zugeführt wird,
durch Öffnungen in der Schaufel auf die Schaufeloberfläche ausgeblasen. Das Kühlfluid
bildet hierbei eine einem Fluidfilm ähnliche Trennschicht zwischen der Schaufelwand und
dem heißen Strömungsfluid aus. Somit kommt es zu keinem direkten Wärmeübergang
zwischen dem heißen Fluid der Hauptströmung und der Schaufel.At the end of the cooling channel, the cooling fluid usually flows out into the main flow via one or more openings in the blade wall. Often, however, the cooling fluid is also conducted into another internal chamber at the end of the cooling channel and from there into another cooling channel or also into the main flow.
Another method for cooling blades is the so-called film cooling. Here, a cooling fluid, usually also cooling air, which is supplied in cooling channels, is blown out onto the blade surface through openings in the blade. The cooling fluid forms a separating layer, similar to a fluid film, between the blade wall and the hot flow fluid. Thus there is no direct heat transfer between the hot fluid of the main flow and the blade.
Beide Verfahren weisen nachteilig auf, daß die Schaufel nicht überall gleichmäßig gekühlt wird. Im Falle der Konvektionskühlung ist die Wärmeübertragung direkt abhängig von den Strömungsverhältnissen in den Kühlkanälen. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlfluides erhöhen die Wärmeübertragung. Insbesondere Bereiche in der Schaufelspitze sind hierbei oftmals benachteiligt, da sich hier insbesondere längs der die Schaufel abschließenden Deckwand Bereiche mit nur sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlfluides oder auch Totwassergebiete ergeben. Diese Nachteile konnten bisher nur mittels sehr komplizierter Verläufe der Kühlkanäle in der Schaufel ausgeglichen werden. Die Herstellung solcher Schaufeln ist äußerst aufwendig und somit teuer. Aufgrund der gießtechnischen Herstellung der Schaufeln verbleiben überdies in der Regel zudem eine oder mehrere Öffnungen in den Schaufelwänden, die während des Gießens zur Fixierung des Gießkerns erforderlich waren.Both methods have the disadvantage that the blade is not cooled uniformly everywhere becomes. In the case of convection cooling, the heat transfer is directly dependent on the Flow conditions in the cooling channels. Higher flow rates of the Cooling fluids increase heat transfer. In particular areas in the tip of the blade are often disadvantaged here, because here in particular along the blade final cover wall areas with only very low flow velocities of the Cooling fluids or dead water areas result. Until now, these disadvantages could only be achieved by means of very complicated courses of the cooling channels in the blade can be compensated. The The manufacture of such blades is extremely complex and therefore expensive. Due to the Casting manufacture of the blades also usually remains one or several openings in the bucket walls that are used during the casting to fix the Casting core were required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömung eines Kühlfluides einer gekühlten Schaufel einer Turbomaschine zu führen.The invention has for its object the flow of a cooling fluid of a cooled Guide blade of a turbomachine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Führung des Kühlfluides
zumindest ein Einschubelement in zumindest einer Aussparung der Schaufel angeordnet ist.
Die Schaufel weist neben zumindest einem in der Schaufel verlaufenden Kühlkanal
zumindest eine Zuführöffnung zur Zuführung von Kühlfluid in den Kühlkanal und darüber
hinaus zumindest eine weitere Öffnung auf. Die Aussparung und das Einschubelement
erstrecken sich in Schaufellängsrichtung nur über einen Teilbereich der Schaufel. Das
Einschubelement ragt hierbei zumindest teilweise in zumindest einen Kühlkanal der Schaufel.
Infolge der Anordnung des Einschubelements ergibt sich ein lokal veränderter Verlauf des
Kühlkanals und somit eine lokal veränderte Führung des Kühlfluides in dem Kühlkanal. Es
wurde gefunden, daß durch die Anordnung eines Einschubelements in einer Aussparung der
Schaufel der Wärmeaustausch und somit die Bauteilkühlung in zuvor benachteiligten
Wandbereichen verbessert wird.
Bevorzugt sind die Aussparung und das Einschubelement mit rechteckigem oder
schlitzförmigem Querschnitt ausgeführt. Der zu betrachtende Querschnitt ist hierbei der
Querschnitt senkrecht zur Einschubrichtung des Einschubelements. Besonders zweckmäßig
ist es, die Abmessungen der Aussparung und des Einschubelements zueinander in Form einer
Preßpassung auszuführen. Infolgedessen kann das Einschubelement mittels Formschluß in die
Aussparung eingefügt werden. Zweckmäßig wird das Einschubelement oftmals auch gelötet.
Ferner ist es von Vorteil, das Einschubelement senkrecht zur Schaufelhöhenrichtung in der
Aussparung anzuordnen.
Sowohl die Aussparung als auch das Einschubelement erstrecken sich zweckmäßig von der
Saugseite zur Druckseite der Schaufel. Insbesondere die Aussparung kann hierdurch
fertigungstechnisch in einfacher Weise hergestellt und bearbeitet werden. Die äußere Kontur
des Einschubelements ist vorteilhaft der Kontur des Schaufelprofils an der Stelle der
Aussparung angepaßt. Somit werden stolperstellenähnliche Übergänge im Verlauf der
Wandkontur der Schaufel vermieden. Derartige stolperstellenähnliche Übergänge würden zu
höheren Strömungsverlusten der Hauptströmung der Turbomaschine führen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist zumindest das Einschubelement einen Absatz oder
eine stetig verlaufende Querschnittsverminderung auf. Der Querschnitt des Einschubelements
wird hierbei vorteilhaft in Einschubrichtung des Einschubelements in die Aussparung
vermindert. Die Aussparung ist zweckmäßig in gleicher Weise ausgeführt, so daß das
Einschubelement mittels Formschluß in die Aussparung eingefügt werden kann. Insbesondere
bei Rotorschaufeln ist es besonders zweckmäßig, den Absatz so anzuordnen, daß der
Querschnitt des Einschubelements entgegen der Drehrichtung des Rotors vermindert wird und
der Formschluß zwischen dem Einschubelement und der Aussparung in dem Bereich der
Querschnittsverminderung gegeben ist. Es stellte sich heraus, daß mit einer solchen
Anordnung infolge der während einer Beschleunigung des Rotors auf das Einschubelement
wirkenden Trägheitskräfte als auch der fluiddynamischen Druckkräfte des Strömungsfluides
ein Lösen des Einschubelements in der Aussparung besonders gut verhindert wird.This object is achieved in that at least one insertion element is arranged in at least one recess in the blade for guiding the cooling fluid. In addition to at least one cooling channel running in the blade, the blade has at least one supply opening for supplying cooling fluid into the cooling channel and moreover at least one further opening. The cutout and the insertion element extend in the longitudinal direction of the blade only over a partial area of the blade. The insert element projects at least partially into at least one cooling channel of the blade. As a result of the arrangement of the insert element, there is a locally changed course of the cooling channel and thus a locally changed guidance of the cooling fluid in the cooling channel. It has been found that the arrangement of an insert element in a recess in the blade improves the heat exchange and thus the component cooling in previously disadvantageous wall areas.
The recess and the insertion element are preferably designed with a rectangular or slot-shaped cross section. The cross section to be considered here is the cross section perpendicular to the insertion direction of the insertion element. It is particularly expedient to carry out the dimensions of the cutout and of the insertion element in the form of an interference fit. As a result, the insert element can be inserted into the recess by means of a positive connection. The insertion element is often also soldered appropriately. Furthermore, it is advantageous to arrange the insertion element perpendicular to the blade height direction in the recess.
Both the recess and the insert element expediently extend from the suction side to the pressure side of the blade. In particular, the recess can be manufactured and processed in a simple manner in terms of production technology. The outer contour of the insert element is advantageously adapted to the contour of the blade profile at the point of the recess. In this way, tripping point-like transitions in the course of the wall contour of the blade are avoided. Such tripping point-like transitions would lead to higher flow losses in the main flow of the turbomachine.
In an advantageous embodiment, at least the insert element has a shoulder or a continuously reducing cross-section. The cross section of the insert element is advantageously reduced in the insertion direction of the insert element into the recess. The recess is expediently designed in the same way so that the insert element can be inserted into the recess by means of a positive connection. In the case of rotor blades in particular, it is particularly expedient to arrange the shoulder in such a way that the cross section of the insert element is reduced counter to the direction of rotation of the rotor and that there is a positive fit between the insert element and the recess in the area of the reduced cross section. It was found that with such an arrangement, loosening of the insert element in the recess is particularly well prevented due to the inertial forces acting on the insert element during acceleration of the rotor and the fluid dynamic pressure forces of the flow fluid.
Es ist besonders zweckmäßig, die Aussparung und das Einschubelement erfindungsgemäß so
anzuordnen, daß das in der Aussparung angeordnete Einschubelement unmittelbar an die
Deckwand und/oder zumindest eine Seitenwand der Schaufel angrenzt oder zumindest
teilweise in die Deckwand und/oder die Seitenwand integriert ist. Das in dieser Weise
angeordnete Einschubelement weist darüber hinaus vorteilhaft zumindest einen in dem
Einschubelement angeordneten Strömungskanal auf. Bevorzugt ist hierzu in dem
Einschubelement eine Nut so angeordnet, daß diese Nut zusammen mit der angrenzenden
Deckwand und/oder einer angrenzenden Seitenwand der Schaufel den Strömungskanal bildet.
Der Strömungskanal ist über zumindest eine Öffnung mit dem Kühlkanal verbunden und
weist darüber hinaus vorzugsweise zumindest eine Auslaßöffnung auf. Üblicherweise ist der
Strömungskanal hierbei mit einem kleineren Strömungsquerschnitt ausgeführt als der
Kühlkanal. Es ist besonders zweckmäßig, die Auslaßöffnung des Strömungskanals als
Durchlaßöffnung in der angrenzenden Deckwand und/oder einer angrenzenden Seitenwand
auszuführen. Sofern der Kühlkanal keine weiteren Auslaßöffnungen aufweist, durchströmt
somit das gesamte, dem Kühlkanal zugeführte Kühlfluid den Strömungskanal. Sind weitere
Auslaßöffnungen des Kühlkanals vorhanden, so teilt sich der Kühlfluidmassenstrom
entsprechend auf. Sofern in der Schaufel mehrere Kühlkanäle angeordnet sind oder der
Kühlkanal in Teilkanäle unterteilt ist, kann die Auslaßöffnung des Strömungskanals auch
zweckmäßig in einen weiteren Kühlkanal oder einen weiteren Teilkanal des Kühlkanals
einmünden. Es stellte sich heraus, daß mittels eines derartigen Strömungskanals das Kühlfluid
gezielt längs der angrenzenden Deckwand und/oder der angrenzenden Seitenwand geführt
werden kann. Dies ermöglicht eine gezielte Kühlung von Wandbereichen, die zuvor schlecht
oder gar nicht gekühlt waren. Darüber hinaus wurde gefunden, daß die Kühlwirkung des in
einem derartigen Strömungskanal geführten Kühlfluides oftmals erhöht wird. Dies resultiert
aus dem erhöhten Wärmeübergang infolge höherer Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb
des Strömungskanals im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluides im
Kühlkanal der Schaufel.
Besonders zweckmäßig sind in dem Strömungskanal Turbulatoren angeordnet, die zu einer
Erhöhung des Turbulenzgrades des durch den Strömungskanal strömenden Kühlfluides
führen. Hierdurch wird der Wärmenübergang des Kühlfluides auf die Seitenwände nochmals
erhöht und die Kühlwirkung somit gesteigert. Als derartige Turbulatoren können
beispielsweise einfache Querstege in dem Strömungskanal eingesetzt werden.It is particularly expedient to arrange the recess and the insert element according to the invention such that the insert element arranged in the recess directly adjoins the top wall and / or at least one side wall of the blade or is at least partially integrated into the top wall and / or the side wall. The insert element arranged in this way also advantageously has at least one flow channel arranged in the insert element. For this purpose, a groove is preferably arranged in the insertion element such that this groove forms the flow channel together with the adjacent top wall and / or an adjacent side wall of the blade. The flow channel is connected to the cooling channel via at least one opening and moreover preferably has at least one outlet opening. The flow channel is usually designed with a smaller flow cross section than the cooling channel. It is particularly expedient to design the outlet opening of the flow channel as a through opening in the adjacent top wall and / or an adjacent side wall. If the cooling channel has no further outlet openings, the entire cooling fluid supplied to the cooling channel flows through the flow channel. If there are further outlet openings of the cooling channel, the cooling fluid mass flow is divided accordingly. If several cooling channels are arranged in the blade or the cooling channel is subdivided into partial channels, the outlet opening of the flow channel can also expediently open into a further cooling channel or a further partial channel of the cooling channel. It was found that by means of such a flow channel, the cooling fluid can be guided in a targeted manner along the adjacent top wall and / or the adjacent side wall. This enables targeted cooling of wall areas that were previously poorly or not at all cooled. In addition, it has been found that the cooling effect of the cooling fluid guided in such a flow channel is often increased. This results from the increased heat transfer due to higher flow velocities within the flow channel compared to the flow rate of the cooling fluid in the cooling channel of the blade.
Turbulators which lead to an increase in the degree of turbulence of the cooling fluid flowing through the flow channel are particularly expediently arranged in the flow channel. As a result, the heat transfer of the cooling fluid to the side walls is increased again and the cooling effect is thus increased. Simple transverse webs in the flow channel, for example, can be used as such turbulators.
Ferner ist es vorteilhaft, die Aussparung und das Einschubelement so anzuordnen, daß das in der Aussparung angeordnete Einschubelement unmittelbar an die Deckwand und/oder zumindest eine Seitenwand angrenzt oder zumindest teilweise in die Deckwand und/oder die Seitenwand integriert ist und hierbei zumindest eine Öffnung des Kühlkanals zumindest teilweise verschließt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kühlkanal zusätzlich zu der Einlaßöffnung und den Auslaßöffnungen weitere oder auch zu große Öffnungen aufweist, durch die das Kühlfluid zu rasch entweichen würde. Derartige Öffnungen können beispielsweise als Folge gießtechnisch bedingter Gießkernhalterungen auftreten. It is also advantageous to arrange the recess and the insertion element so that the in the recess arranged insert element directly to the top wall and / or at least one side wall is adjacent or at least partially in the top wall and / or Sidewall is integrated and at least one opening of the cooling channel at least partially closed. This is particularly advantageous if the cooling channel is additional to the inlet opening and the outlet openings further or too large openings through which the cooling fluid would escape too quickly. Such openings can occur, for example, as a result of casting core mounts due to casting technology.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht einer Schaufel mit einer Aussparung im Bereich der Schaufelspitze und einem in der Aussparung angeordneten Einschubelement.
- Fig. 2
- einen perspektivischen Schnitt durch eine Schaufel mit einer Aussparung und einem in der Aussparung angeordneten, an die Deckwand der Schaufel angrenzenden Einschubelement und zwei in dem Einschubelement verlaufende Strömungskanäle.
- Fig. 3
- eine Vergrößerung des Strömungskanals und der Auslaßöffnung des Strömungskanals aus Fig. 2.
- Fig. 4
- einen Schnitt durch eine Schaufel in der Seitenansicht mit einem an die Deckwand der Schaufel angrenzenden Einschubelement, wobei das Einschubelement einen Strömungskanal aufweist, aus dem das Kühlfluid in die Hauptströmung ausströmt.
- Fig. 5
- einen Schnitt durch eine Schaufel in der Seitenansicht mit einem mehrteiligen, durch eine Zwischenwand unterteilten Kühlkanal und einem an die Deckwand der Schaufel angrenzenden Einschubelement, wobei das Einschubelement einen Strömungskanal aufweist, aus dem das Kühlfluid aus dem ersten Teilkanal des Kühlkanals in den zweiten Teilkanal des Kühlkanals strömt.
- Fig. 1
- a perspective view of a blade with a recess in the area of the blade tip and an insertion element arranged in the recess.
- Fig. 2
- a perspective section through a blade with a recess and an insertion element arranged in the recess and adjoining the top wall of the blade and two flow channels running in the insertion element.
- Fig. 3
- an enlargement of the flow channel and the outlet opening of the flow channel from FIG. 2.
- Fig. 4
- a section through a blade in side view with an insert element adjacent to the top wall of the blade, the insert element having a flow channel from which the cooling fluid flows into the main flow.
- Fig. 5
- a section through a blade in side view with a multi-part, divided by an intermediate wall cooling channel and an insert element adjacent to the top wall of the blade, the insert element having a flow channel from which the cooling fluid from the first sub-channel of the cooling channel into the second sub-channel of the cooling channel flows.
Figur 1 zeigt eine innengekühlte Schaufel 110 einer Turbomaschine mit einer
erfindungsgemäßen Aussparung 121 und einem erfindunsgemäß in der Aussparung
angeordnetem Einschubelement 120. Die dargestellte Schaufel 110 ist im Bereich des
Einschubelements 120 deckbandlos ausgeführt. Der in der Schaufel 110 verlaufende
Kühlkanal ist in Figur 1 nicht dargestellt. Die Aussparung 121 und das Einschubelement 120
sind hier im Bereich der Schaufelspitze in einer vorteilhaften Ausgestaltung in etwa senkrecht
zur Schaufelhöhenrichtung 118 angeordnet. In der dargestellten Ausführung sind die
Aussparung 121 und das Einschubelement 120 im Bereich maximaler Schaufeldicke in der
Schaufel angeordnet und erstrecken sich in Schaufellängsrichtung nur über einen Teilbereich
der Schaufel. Die Anordnung des Einschubelements und der Aussparung in einer Schaufel
kann aber auch an einer anderen als der dargestellten Position der Schaufel erfolgen. Gemäß
der Darstellung weisen die Aussparung 121 und das Einschubelement 120 einen rechteckigen
Querschnitt auf. Der hierbei betrachtete Querschnitt ist der Querschnitt senkrecht zur
Einschubrichtung des Einschubelements. Die Abmessungen der Aussparung 121 und des
Einschubelements 120 sind hier zweckmäßig zueinander als Preßpassung realisiert. Ferner ist
das Einschubelement in der Aussparung mittels Löten fixiert. Hierdurch ist es in einer
einfachen und kostengünstigen Weise möglich, das Einschubelement in der Aussparung zu
befestigen. Der äußere Konturverlauf des Einschubelements 120 ist der Schaufelprofilkontur
an der Stelle der Aussparung angepaßt. Infolgedessen werden stolperstellenähnliche
Übergänge in dem Konturverlauf der Schaufel vermieden.FIG. 1 shows an internally cooled
In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung des Einschubelements 220 in der Aussparung
221 der Schaufel 210 in einem Schnitt durch die Schaufel 210 perspektivisch dargestellt. Die
innen hohl ausgeführte Schaufel 210 weist neben einer druckseitigen und einer saugseitigen
Seitenwand 211 eine den schaufelinneren Hohlraum abschließende Deckwand 212 auf. Der
schaufelinnere Hohlraum dient hier als einteiliger Kühlkanal 213 der Schaufel 210. Das
Kühlfluid 230 wird der Schaufel durch eine in der Figur nicht dargestellte Zuführöffnung im
Schaufelfuß zugeführt.
Das in Figur 2 dargestellte Einschubelement 220 ist im Schaufelspitzenbereich
näherungsweise senkrecht zur Schaufelhöhenrichtung in der Aussparung 221 angeordnet. In
Schaufellängsrichtung erstreckt sich die Aussparung 221 und das Einschubelement 220 nur
über einen Teilbereich der Schaufel 210, wohingegen sich sowohl die Aussparung 221 als
auch das Einschubelement 220 in Schaufeldickenrichtung durchgängig von der Druckseite zus
Saugseite der Schaufel erstrecken. Die schaufeläußeren Konturen des Einschubelements 220
sind zweckmäßig den äußeren Profilkonturen der Schaufel 210, somit der druckseitigen und
der saugseitigen Schaufelprofilkontur, angepaßt. Die Aussparung 221 und das
Einschubelement 220 sind jeweils mit einem aufeinander abgestimmten Querschnitt
ausgeführt und mittels Preßpassung zusammengefügt. Die plan ausgeführte Oberseite des
Einschubelements 220 grenzt hier unmittelbar an die schaufelinnere Seite der Deckwand 212
an. Darüber hinaus weist das Einschubelement 220 in der dargestellten Ausführung der
Erfindung mehrere Nuten dergestalt auf, daß zwei auf der Oberseite des Einschubelements
220 getrennt voneinander angeordnete Nuten zusammen mit der Deckwand 212 zwei
Strömungskanäle 222 bilden. Diese Strömungskanäle 222 verlaufen somit parallel zur
Deckwand 212 entlang dieser. Die Strömungskanäle 212 sind über weitere, in der vorderen
Stirnseite des Einschubelements 220 angeordnete Öffnungen 223 mit dem Kühlkanal 213 der
Schaufel 210 verbunden. Kühlfluid 230 kann somit aus dem Kühlkanal 213 in die
Strömungskanäle 222 einströmen. Die dargestellten Strömungskanäle 222 und die Öffnungen
223 sind zwar als Rechteck-Nuten ausgeführt; die Ausführungen der Nuten sind aber
grundsätzlich frei wählbar. Um ein Abströmen des aus dem Kühlkanal 213 zugeführten
Kühlfluides 230 aus den Strömungskanälen 222 zu ermöglichen, ist je Strömungskanal 222
eine als Durchlaßöffnung realisierte Auslaßöffnung 224 in der Deckwand 212 oder in der
Seitenwand 211 angeordnet.In FIG. 2, the arrangement according to the invention of the
The
Figur 3 zeigt die Anordnung der Durchlaßöffnung 224 in der Seitenwand 211 der Schaufel in
einer Vergrößerung. Die Durchlaßöffnung 224 ist hier als Bohrung ausgeführt und verläuft
schräg angestellt zur Oberfläche der Seitenwand 211. Die Durchlaßöffnung mündet hierbei
am geschlossenen Ende des Strömungskanals 222 in diesen. Der Anstellwinkel der
Durchlaßöffnungen 224 wurde hier vorteilhaft so gewählt, daß austretendes Fluid einen
möglichst geringen Fehlwinkel zu der die Schaufel umströmenden Hauptströmung aufweist.
Weist das Kühlfluid 230 in der Schaufel 210 einen höheren Ruhedruck auf, als das die
Schaufel umströmende Fluid der Hauptströmung, so strömt das aus dem Kühlkanal 213 dem
Strömungskanal 222 zugeführte Kühlfluid durch die Durchlaßöffnungen 224 in die
Hauptströmung aus. Es bildet sich somit ein kontinuierlicher Kühlfluidstrom durch die
Strömungskanäle und die Durchlaßöffnungen aus. Hierbei kommt es zu einem
Wärmeaustausch des Kühlfluides 230 mit der an den Strömungskanal 222 angrenzenden
Wandung (Deckwand 212 und/oder Seitenwand 211) und somit zu einer gezielten Kühlung
der angrenzenden Wandung. Aufgrund des kleineren Strömungsquerschnittes des
Strömungskanals 222 im Vergleich zu dem Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 213
durchströmt das Kühlfluid 230 darüber hinaus den Strömungskanal zudem mit einer erhöhten
Geschwindigkeit. Diese höhere Strömungsgeschwindigkeit führt zu einer zusätzlichen
Erhöhung des Wärmeübergangs und somit zu einer verbesserten Kühlung der Wandung.FIG. 3 shows the arrangement of the
Figur 4 zeigt in einer Seitenansicht einen Schnitt durch eine innengekühlte Schaufel mit einer
weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäß in der Aussparung 321 angeordneten
Einschubelements 320. Der Schnitt verläuft schaufelmittig und zeigt neben der geschnitten
dargestellten Deckwand 312 der Schaufel einen Ausschnitt des in der Schaufel verlaufenden
Kühlkanals 313.
Die Anordnung der Aussparung 321 wurde hier so gewählt, daß sich ein Teil der Aussparung
321 in die Deckwand 312 hinein erstreckt. Das in die Aussparung 321 eingefügte
Einschubelement 320 ist hier ebenso anteilig in die Deckwand 312 eingepaßt. In gleicher
Weise wie die Aussparung 321 weist das Einschubelement 320 zweckmäßig einen
rechteckigen Querschnitt auf. Das Einschubelement wird somit mittels Formschluß in der
Aussparung positioniert. Grundsätzlich kann das Einschubelement und die Aussparung aber
auch mit anderen Querschnitten, beispielsweise mit ovalen, trapezförmigen,
rhombenförmigen oder auch vieleckförmigen Querschnitten, ausgeführt sein, die dann jedoch
jeweils wiederum aufeinander abzustimmen sind. Darüber hinaus weist das Einschubelement
320 in der dargestellten Ausführung zwei Nuten auf, die in der Figur 4 mittig geschnitten
dargestellt sind. Die auf der Oberseite des Einschubelements angeordnete Nut bildet hierbei
zusammen mit der angrenzenden Deckwand 312 einen parallel zur Deckwand an der
Unterseite der Deckwand verlaufenden Strömungskanal 322. Dieser Strömungskanal 322 ist
über die Öffnung 323, die durch die zweite, an der Stirnseite des Einschubelements 320
angeordnete Nut gebildet wird, mit dem Kühlkanal 313 verbunden. Ebenso könnte die
Öffnung 323 auch als in dem Einschubelement vorgesehene Bohrung ausgeführt sein. Des
weiteren ist in der Deckwand 312 mittels einer schräg angestellten Bohrung eine
Durchlaßöffnung 324 angebracht. Diese Durchlaßöffnung 324 mündet am zum Kühlkanal hin
geschlossenen Ende des Strömungskanals 322 in diesen. Kühlfluid 330 strömt aus dem
Kühlkanal 313 über den in dem Einschubelement 320 angeordneten Strömungskanal 322 in
die Durchlaßöffnung 324 und von dort auf die Oberseite der Deckwand 312 und somit in die
die Schaufel umströmende Hauptströmung. Mittels des in dem Strömungskanal 322 geführten
Kühlfluides 330 stellt sich eine gezielte Kühlung der an den Strömungskanal 322
angrenzenden Wandung ein. Ferner kann die Durchlaßöffnung 324 aufgrund der
vorgeschalteten Anordnung des Strömungskanals 322 und des in dem Strömungskanal 322
entstehenden Druckverlustes im Vergleich zu einer Anordnung ohne vorgeschalteten
Strömungskanal mit einem größeren Querschnitt ausgeführt werden. Dies führt zu einer
geringeren Gefahr des Verstopfens der Durchlaßöffnungen während des Betriebs einer
Turbomaschine aufgrund von Fremdpartikeln.FIG. 4 shows a side view of a section through an internally cooled blade with a further embodiment of the
The arrangement of the
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in Figur 5 in einem Schnitt durch eine
innengekühlte Schaufel abgebildet. Der dargestellte Kühlkanal ist hier durch eine
Zwischenwand 417 in zwei Teilkanäle 415, 416 unterteilt. Die erfindungsgemäße Anordnung
des Einschubelements 420 in der Aussparung 421 der Schaufel in der hier dargestellten
Ausführung der Erfindung entspricht der Anordnung gemäß Figur 4. Diese Entsprechung
schränkt hierbei die frei und unabhängig voneinander wählbaren Ausgestaltungen der
Erfindung in den Figuren 4 und 5 nicht ein. Im Unterschied zu Figur 4 entströmt das
Kühlfluid 430 nicht in die Hauptströmung, sondern wird mittels des Einschubelements 420
aus dem ersten Teilkanal 415 des Kühlkanals in den zweiten Teilkanal 416 umgelenkt. Der in
dem Einschubelement 420 angeordnete Strömungskanal 422 ist hierzu jeweils mittels einer
Öffnung 423 mit den jeweiligen Teilkanälen 415, 416 verbunden. Das in dem
Strömungskanal 422 längs der Deckwand 412 aus dem ersten Teilkanal 415 in den zweiten
Teilkanal 416 strömende Kühlfluid 430 führt hierbei zu einer gezielten Kühlung der
Deckwand 412. Another embodiment of the invention is shown in Figure 5 in a section through a
internally cooled shovel shown. The cooling channel shown here is by a
- 110,210110,210
- Schaufel (blade) Vane (blade)
- 211,311,411211,311,411
- Seitenwand (side wall) Side wall
- 212,312,412212,312,412
- Deckwand (cover wall) Cover wall
- 213,313213.313
- Kühlkanal (cooling channel) Cooling channel
- 415,416415.416
- Teilkanäle eines mehrteiligen Kühlkanals (partial channel of a composite cooling channel) Partial channels of a composite cooling channel
- 417417
- Zwischenwand (partition wall) Partition wall
- 118118
- Schaufelhöhenrichtung (blade height direction) Blade height direction
- 120,220,320,420120,220,320,420
- in einer Aussparung angeordnetes Einschubelement (drawer inserted in a slot) drawer inserted in a slot
- 121,221,321121,221,321
- Aussparung (slot) Slot
- 222,322,422222,322,422
- Strömungskanal (flow channel) Flow channel
- 223,323,423223,323,423
- Öffnung zwischen dem Strömungskanal und dem Kühlkanal (opening between the flow channel and the cooling channel) Opening between the flow channel and the cooling channel
- 224,324224.324
- Auslaßöffnung bzw. Durchlaßöffnung (outlet) Outlet or outlet
- 230,330,430230,330,430
- Kühlfluid (cooling fluid) Cooling fluid
Claims (10)
wobei der Kühlkanal (213) neben einer Zuführöffnung zumindest eine weitere Öffnung (224) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
wherein the cooling channel (213) has at least one further opening (224) in addition to a feed opening,
characterized in that
wobei dieser Strömungskanal (222) über zumindest eine Öffnung (223) mit dem Kühlkanal (213) verbunden ist, sowie zumindest eine Auslaßöffnung (224) aufweist.
wherein this flow channel (222) is connected to the cooling channel (213) via at least one opening (223) and has at least one outlet opening (224).
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