EP1267041B1 - Cooled turbine blade - Google Patents
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- EP1267041B1 EP1267041B1 EP02405389A EP02405389A EP1267041B1 EP 1267041 B1 EP1267041 B1 EP 1267041B1 EP 02405389 A EP02405389 A EP 02405389A EP 02405389 A EP02405389 A EP 02405389A EP 1267041 B1 EP1267041 B1 EP 1267041B1
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- EP
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- tip
- blade
- cavity
- squealer
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- 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
- F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- 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
- F01D5/186—Film cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2260/00—Function
- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
- F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling
Definitions
- This invention relates to internally cooled blades for gas turbines, and more particularly to a cooling structure for the tip portion of the blade.
- Gas turbine blades are typically cooled to protect the material of the blades from the high gas temperatures and to prevent their oxidation.
- the cooling effectively increases the durability of the blades and prolongs their service life.
- a proven and successful cooling design for turbine blades is the internal cooling.
- a liquid or gaseous cooling fluid - usually air which is taken from the compressor of the turbine - flows through channels into a cavity between the pressure-side wall of the blade, the suction-side wall and a tip cap.
- the tip region typically includes the tip cap and a squeal edge extending radially along the pressure and suction side walls.
- the squeal edge has relatively thin walls and is relatively far away from the cooling air inside the blade. For this reason, it is particularly susceptible to the high temperatures of the gas stream.
- the cooling of this tip area is particularly important.
- the cooling channels lead from the cavity within the blade either through the tip cap to a half space enclosed by the squeal edge or through the squeal edge to the crown of that squeal edge.
- the liquid or gaseous Cooling fluid flows through these channels, cools the half-space and the squealer edge from the inside and - after exiting the outlet openings on the outer surface and finally mixes in the leakage current of the gas turbine.
- a typical problem encountered with the operation of turbines is occasional, intentional or unintentional rubbing of the blade tip against the outer heat shield or against other components mounted on the turbine housing.
- the rubbing of the blade tip leads to a smearing of material on the blade tip and to a clogging or even to a complete blocking of the outlet openings of the cooling channels on the blade tip.
- the cooling of the blade tip is then reduced or even completely interrupted and may result in significant blade damage due to overheating.
- European Patent Application EP 816 636 discloses a gas turbine blade having a typical squealer tip squealer and cooling channels designed to cool the squealer edge.
- the channels extend from a cavity within the blade to the pressure side of the blade and through the tip cap to the hemisphere enclosed by the squealer. If the squeal edge rubs against an outer heat shield or other component of the gas turbine, material may fall into the exit openings on the tip cap and clog the channel for the liquid or gaseous cooling fluid.
- the arrangement of the cooling channels does not ensure optimum cooling of the outermost tip of the squealer.
- the cooling structure includes cooling channels that extend from a cavity within the blade through the squealer edge on the suction side to the crown of the squealer edge on the suction side. This ensures efficient cooling of the outermost tip area. However, there is a high risk that abraded material will smear and clog the exit holes of the cooling channels.
- a blade for a turbomachine has a cavity 38 for a cooling fluid, which is closed by an end cap 46. At its tip, the blade has two radially extending side walls 42, 44. From the cavity of the blade, cooling channels pass through the side walls to exit openings at the radial ends of the side walls. These outlets are exposed there abraded material, which could get into the channels and close them.
- US Pat. No. 5,476,364 discloses a turbine blade without a squeal edge at the tip and with cooling channels extending from an inner cooling channel to the pressure side of the blade tip.
- the cooling channels are arranged at a specific angle to the tip surface of the blade.
- the outlet openings of the cooling channels in particular comprise a cavity, which runs through a side wall parallel to the surface of the blade and is formed by the side wall of the outlet opening. This cavity is intended to prevent the exit port from being clogged with material that is being abraded by an annular shroud over the paddles. Instead, the abraded material is intended to divert the flow of coolant in a direction that is more beneficial to the performance of the turbine.
- This cooling design should work as long as the abraded material particles are small. However, if the particles are larger than the cooling channel, it will likely clog.
- the object of this invention is to provide a gas turbine blade having a squeal edge and a cooling structure for that squeal edge that allows the cooling fluid to reach the outermost edge of the squeal edge.
- Cooling construction also provide for sufficient cooling after an intentional or unintentional rubbing with the outer heat shield or other turbine component has occurred and the cooling channels have been blocked or polluted by abraded particles of different sizes.
- a turbine blade for a gas turbine that extends from a root to a tip and has a pressure side and a suction side includes a pressure side wall, a suction side wall, and a tip cap.
- the tip of the blade includes the tip cap and a squeal edge extending radially from the pressure side and suction side walls to a tip crown on the pressure and suction sides. Together with the outer surface of the tip cap, the squeal edge forms a half space.
- the squealer edge comprises a cavity which extends from the half-space into the squealer edge. This cavity extends into the cooling channels, which extend from the cavity within the blade to the tip crown, so that these cooling channels are divided into a first and a second part. The first part leads from the cavity to an exit opening in the cavity and the second part leads from the cavity to an exit opening on the tip crown.
- the concavity in the squealer provides an additional exit port for the cooling fluid to enter Direction of the tip area can escape.
- the squeegee edge with the second portion of the cooling channel protects the cavity and the additional exit opening from contact with the outer heat shield or other components and material that is rubbed off on such contact.
- the exit openings on the tip crown are partially or completely blocked by the abraded material, and the cooling fluid can no longer flow through the second area of the cooling channel to the tip crown to cool the squeal edge from the inside. Instead, the cooling fluid exits through the additional exit opening in the cavity, flows into the half space and from there around the squealer edge to the tip crown.
- the liquid or gaseous cooling fluid can flow unhindered through the first region into the cavity and thence through the second region of the cooling channel to the tip crown, cooling the squealer edge from the inside by convection.
- the cooling structure according to the invention thus provides cooling even if the outlet has been smeared.
- the cooling fluid reaches the outermost edge of the squealer edge both in the cases where the exit openings are free and in the cases where the exit openings are blocked.
- the cooling design provides cooling regardless of the size of the abraded material particles.
- the concavity in the squealer edge is provided on both the pressure side and the suction side of the blade.
- This solution is particularly suitable for blades having outlet openings on the tip crown on both the pressure side and the suction side of the blade.
- the cavity in the rubbing edge is provided only on the suction side.
- the exit ports of the cooling channels are located on the pressure side of the tip section below the tip crown. For these discharge ports, the problem of blocking is not as severe as with the discharge ports on the tip crown of the suction side, and accordingly, measures to protect the discharge ports are not absolutely necessary.
- the cavity according to the invention has a first sidewall which lies substantially in the plane of the outer surface of the tip cap.
- a second side wall of the cavity extends from said first sidewall of the cavity to a third sidewall substantially parallel to the crown of the squealer edge.
- the second sidewall of the cavity is either curved or straight, with sharp corners to the first and third sidewalls of the cavity.
- a cavity with curved or rounded sidewalls is most conveniently made by casting.
- a cavity with a straight sidewall and sharp corners is more conveniently made by other methods, such as by electrochemical ablation techniques.
- the squeal edge comprises rounded corners or sharp, for example rectangular, corners. Sharp corners on the squeal edge are advantageous in terms of the leakage current at the blade head, as the sharp corners ensure a higher flow rate.
- Figure 1 shows a perspective view of the radially outer portion of a rotor blade 1 for a gas turbine according to the invention with a pressure-side wall 2, a suction-side wall 3 and a tip cap 4 at the radial end of the blade.
- a cooling fluid - usually air, which is taken from the compressor of the turbine - circulates within the cavity 5 and cools the pressure - and suction wall from the inside by convection.
- the figure shows the tip area of the blade, which includes a squeal edge 6 and protects the tip area of the blade from damage in the event of contact with the housing of the gas turbine.
- the squealer extends radially from the pressure and The squealer 6 forms together with the tip cap 4 a half space 9.
- the cooling channels extend from the cavity 5 within the blade through the squealer edge 6 to the tip portion of the blade , The cooling fluid flows through these cooling channels and cools the squealer by cooling from the inside. The cooling fluid then exits the channels through the exit ports, cools the squealer edge by flowing around the crown, and eventually mixes with the leakage flow of the gas turbine.
- On the pressure side of the blade 1 a plurality of outlet openings 10 of cooling channels on the squealer and slightly below the tip crown 7 are arranged. Several additional outlet openings 11 of the cooling channels are arranged on the tip crown of the suction side 8.
- the squealer edge comprises a cavity which extends from the tip cap 4 into the squealer edge 6.
- the cavity divides the cooling channels in the vicinity of the suction side into a first part which extends from the cavity 5 to the outlet openings 11 'in the cavity, and into a second part which extends from the cavity to the outlet openings 11 on the tip crown 8 the suction side extends.
- Figure 2 shows the cross-section along the line II-II of the tip portion of the blade 1 with the pressure side wall 2 and the suction side wall 3.
- the cavity 5 is defined by the inner surface 12 and the inner surface 13 of the pressure and the suction side wall and the inner surface 14 of the tip cap 4 is formed.
- a cooling channel 15 extends in a first part 17 from the cavity 5 through the tip cap 4 to the outlet 11 'and into the cavity 16.
- the second part 18 of the channel 15 extends from the cavity 16 through the squealer 6 to the outlet 11 on the tip crown 8 the suction side.
- the cooling fluid 20 can flow freely to the outermost edge of the squealer and mix in the leakage flow 22.
- the cooling fluid will travel a distance 23 from the cavity 16 into the half space 9 and around the squeal edge to the tip crown 8. In both cases sufficient cooling of the squealer including its outermost edge reached, regardless of the extent to which the second part 18 of the cooling channel is clogged.
- the cavity 16 is here formed with a rounded or curved side wall which is most conveniently made by casting.
- a rectangular cavity is most economically produced by a machining design. Both forms are suitable from the standpoint of coolant flow and the effectiveness of the cooling.
- the squealer 6 has a shape with either sharp, such as rectangular, corners or rounded corners. Concerning the blade tip leakage current, sharp corners result in a better flow rate.
- a further cooling channel 25 extends from the cavity 5 to the pressure side of the blade 1.
- the channel 25 leads to an outlet opening 10 which is arranged on the pressure side of the blade and below the tip crown 7 of the pressure side.
- the cooling fluid 26, which flows through this outlet opening 10 flows around the squealer 6 around, over the top crown 7 of the pressure side in the half-space 9 and from there into the leakage stream 22. Since the outlet openings 10 below the tip crown are arranged, they are not so prone to clogging with abraded material as the outlet openings on the tip crown of the suction side and therefore need no protection.
- the cooling channels extend on the pressure side all the way to the tip crown, as is the case along the suction side of the blade.
- the squeal edge Similar to the cooling structure on the suction side, which is indicated in the figure, the squeal edge also includes a cavity on the pressure side, which divides the cooling channel into two parts in the same way as on the suction side of the blade.
- cooling channels leading to the pressure side provide sufficient cooling of the squealer edge, so that a construction with a cavity on that side is not necessary.
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf von innen gekühlte Schaufeln für Gasturbinen und insbesondere auf eine Kühlkonstruktion für den Spitzenbereich der Schaufel.This invention relates to internally cooled blades for gas turbines, and more particularly to a cooling structure for the tip portion of the blade.
Schaufeln für Gasturbinen werden in der Regel gekühlt, um das Material der Schaufeln vor den hohen Gastemperaturen zu schützen und dessen Oxidation zu verhindern. Die Kühlung erhöht in wirksamer Form die Beständigkeit der Schaufeln und verlängert ihre Lebensdauer im Betrieb. Eine bewährte und erfolgreiche Kühlkonstruktion für Turbinenschaufeln ist die Innenkühlung. Dabei strömt ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid - in der Regel Luft, die von dem Verdichter der Turbine entnommen wird - durch Kanäle in einen Hohlraum zwischen der druckseitigen Wand der Schaufel, der saugseitigen Wand und einer Spitzenkappe. Der Spitzenbereich umfasst in der Regel die Spitzenkappe und einer Anstreifkante, der sich entlang der druckseitigen und saugseitigen Wand radial weg erstreckt. Die Anstreifkante hat verhältnismäßig dünne Wände und ist relativ weit von der Kühlluft im Inneren der Schaufel entfernt. Aus diesem Grund ist er besonders anfällig auf die hohen Temperaturen des Gasstromes. Daher ist die Kühlung dieses Spitzenbereiches besonders wichtig. Um die Kühlung des Spitzenbereichs sicherzustellen, führen die Kühlkanäle vom Hohlraum innerhalb der Schaufel entweder durch die Spitzenkappe zu einem Halbraum, der von der Anstreifkante umschlossen ist, oder durch die Anstreifkante zur Krone dieser Anstreifkante. Das flüssige oder gasförmige Kühlfluid strömt durch diese Kanäle, kühlt den Halbraum und die Anstreifkante von innen sowie - nach dem Austritt aus den Austrittsöffnungen auf der äußeren Oberfläche und mischt sich schließlich in den Leckstrom der Gasturbine. Ein typisches Problem, das bei dem Betrieb von Turbinen auftritt, ist das gelegentliche, absichtliche oder unabsichtliche Reiben der Schaufelspitze gegen den äußeren Hitzeschild oder gegen andere Komponenten, die am Turbinengehäuse angebracht sind. Das Reiben der Schaufelspitze führt zu einem Verschmieren von Material auf der Schaufelspitze und zu einem Verstopfen oder gar zu einem vollständigen Blockieren der Austrittsöffnungen der Kühlkanäle auf der Schaufelspitze. Die Kühlung der Schaufelspitze wird dann reduziert oder sogar vollständig unterbrochen und kann aufgrund der Überhitzung zu einer beträchtlichen Beschädigung der Schaufel führen.Gas turbine blades are typically cooled to protect the material of the blades from the high gas temperatures and to prevent their oxidation. The cooling effectively increases the durability of the blades and prolongs their service life. A proven and successful cooling design for turbine blades is the internal cooling. In this case, a liquid or gaseous cooling fluid - usually air, which is taken from the compressor of the turbine - flows through channels into a cavity between the pressure-side wall of the blade, the suction-side wall and a tip cap. The tip region typically includes the tip cap and a squeal edge extending radially along the pressure and suction side walls. The squeal edge has relatively thin walls and is relatively far away from the cooling air inside the blade. For this reason, it is particularly susceptible to the high temperatures of the gas stream. Therefore, the cooling of this tip area is particularly important. To ensure cooling of the tip region, the cooling channels lead from the cavity within the blade either through the tip cap to a half space enclosed by the squeal edge or through the squeal edge to the crown of that squeal edge. The liquid or gaseous Cooling fluid flows through these channels, cools the half-space and the squealer edge from the inside and - after exiting the outlet openings on the outer surface and finally mixes in the leakage current of the gas turbine. A typical problem encountered with the operation of turbines is occasional, intentional or unintentional rubbing of the blade tip against the outer heat shield or against other components mounted on the turbine housing. The rubbing of the blade tip leads to a smearing of material on the blade tip and to a clogging or even to a complete blocking of the outlet openings of the cooling channels on the blade tip. The cooling of the blade tip is then reduced or even completely interrupted and may result in significant blade damage due to overheating.
Um ein Verstopfen oder Blockieren der Kühlkanäle zu verhindern, sind mehrere Lösungen vorgelegt worden.To prevent clogging or blocking of the cooling channels, several solutions have been presented.
Die europäische Patentanmeldung EP 816 636 offenbart eine Laufschaufel für eine Gasturbine mit einer typischen Anstreifkante an der Schaufelspitze und Kühlkanälen, die für die Kühlung der Anstreifkante konzipiert worden sind. Die Kanäle erstrecken sich von einem Hohlraum innerhalb der Schaufel zur Druckseite der Schaufel sowie durch die Spitzenkappe zum von der Anstreifkante umschlossenen Halbraum. Falls die Anstreifkante gegen einen äußeren Hitzeschild oder eine andere Komponente der Gasturbine reibt, kann Material in die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkappe fallen und den Kanal für das flüssige oder gasförmige Kühlfluid verstopfen. Darüber hinaus sorgt die Anordnung der Kühlkanäle nicht für eine optimale Kühlung der äußersten Spitze der Anstreifkante.European Patent Application EP 816 636 discloses a gas turbine blade having a typical squealer tip squealer and cooling channels designed to cool the squealer edge. The channels extend from a cavity within the blade to the pressure side of the blade and through the tip cap to the hemisphere enclosed by the squealer. If the squeal edge rubs against an outer heat shield or other component of the gas turbine, material may fall into the exit openings on the tip cap and clog the channel for the liquid or gaseous cooling fluid. In addition, the arrangement of the cooling channels does not ensure optimum cooling of the outermost tip of the squealer.
Bei einer Anstreifkante mit einer ähnlichen Form umfasst die Kühlkonstruktion Kühlkanäle, die sich von einem Hohlraum innerhalb der Schaufel durch die Anstreifkante auf der Saugseite bis zur Krone der Anstreifkante an der Saugseite erstrecken. Dies sorgt für eine effiziente Kühlung des äußersten Spitzenbereichs. Allerdings besteht ein hohes Risiko, dass abgeriebenes Material die Ausgangslöcher der Kühlkanäle verschmiert und verstopft.With a squealer edge of similar shape, the cooling structure includes cooling channels that extend from a cavity within the blade through the squealer edge on the suction side to the crown of the squealer edge on the suction side. This ensures efficient cooling of the outermost tip area. However, there is a high risk that abraded material will smear and clog the exit holes of the cooling channels.
Eine solche Kühlkonstruktion ist beispielsweise in US 4,142,824 offenbart. Dort weist eine Schaufel für eine Turbomaschine einen Hohlraum 38 für ein Kühlfluid auf, der durch eine Endkappe 46 abgeschlossen ist. An ihrer Spitze weist die Schaufel zwei radial sich erstreckende Seitenwände 42, 44 auf. Vom Hohlraum der Schaufel führen Kühlkanäle durch die Seitenwände zu Austrittsöffnungen an den radialen Enden der Seitenwände. Diese Austrittsöffnungen sind dort abgeriebenem Material ausgesetzt, welches in die Kanäle gelangen und diese verschliessen könnte.Such a cooling construction is disclosed, for example, in US 4,142,824. There, a blade for a turbomachine has a cavity 38 for a cooling fluid, which is closed by an end cap 46. At its tip, the blade has two radially extending side walls 42, 44. From the cavity of the blade, cooling channels pass through the side walls to exit openings at the radial ends of the side walls. These outlets are exposed there abraded material, which could get into the channels and close them.
Das US-Patent 5,476,364 offenbart eine Turbinenschaufel ohne eine Anstreifkante an der Spitze und mit Kühlkanälen, die sich von einem inneren Kühlkanal bis zur Druckseite der Schaufelspitze erstrecken. Die Kühlkanäle sind in einem speziellen Winkel zur Spitzenoberfläche der Schaufel angeordnet. Weiterhin umfassen die Austrittsöffnungen der Kühlkanäle insbesondere einen Hohlraum, der durch eine Seitenwand parallel zur Oberfläche der Schaufel verläuft und durch die Seitenwand der Austrittsöffnung gebildet wird. Diese Aushöhlung soll verhindern, dass die Austrittsöffnung mit Material verstopft wird, das von einem ringförmigen Deckband über den Schaufeln abgerieben wird. Stattdessen soll das abgeriebene Material den Kühlmittelstrom in eine Richtung ablenken, die für die Leistung der Turbine vorteilhafter ist. Diese Kühlkonstruktion dürfte funktionieren, sofern die abgeriebenen Materialpartikel klein sind. Falls jedoch die Partikel größer als der Kühlkanal sind, wird sich dieser wahrscheinlich verstopfen.US Pat. No. 5,476,364 discloses a turbine blade without a squeal edge at the tip and with cooling channels extending from an inner cooling channel to the pressure side of the blade tip. The cooling channels are arranged at a specific angle to the tip surface of the blade. Furthermore, the outlet openings of the cooling channels in particular comprise a cavity, which runs through a side wall parallel to the surface of the blade and is formed by the side wall of the outlet opening. This cavity is intended to prevent the exit port from being clogged with material that is being abraded by an annular shroud over the paddles. Instead, the abraded material is intended to divert the flow of coolant in a direction that is more beneficial to the performance of the turbine. This cooling design should work as long as the abraded material particles are small. However, if the particles are larger than the cooling channel, it will likely clog.
Das Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaufel für Gasturbinen mit einer Anstreifkante und einer Kühlkonstruktion für diese Anstreifkante, die es ermöglicht, dass das Kühlfluid den äußersten Rand der Anstreifkante erreichen kann. Insbesondere soll die Kühlkonstruktion auch dann für eine ausreichende Kühlung sorgen, nachdem ein absichtliches oder unabsichtliches Reiben mit dem äußeren Hitzeschild oder einer anderen Turbinenkomponente aufgetreten ist und die Kühlkanäle durch abgeriebene Partikel unterschiedlicher Größe blockiert oder verschmutzt worden sind.The object of this invention is to provide a gas turbine blade having a squeal edge and a cooling structure for that squeal edge that allows the cooling fluid to reach the outermost edge of the squeal edge. In particular, should Cooling construction also provide for sufficient cooling after an intentional or unintentional rubbing with the outer heat shield or other turbine component has occurred and the cooling channels have been blocked or polluted by abraded particles of different sizes.
Eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, die sich von einem Fuß bis zu einer Spitze erstreckt und eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, umfasst eine druckseitige Wand, eine saugseitige Wand und eine Spitzenkappe. Die inneren Oberflächen der druckseitigen und saugseitigen Wand bilden zusammen mit der inneren Oberfläche der Spitzenkappe einen Hohlraum mit Kühlkanälen, durch die ein Kühlfluid strömt und die Schaufel von innen durch Konvektion kühlt. Die Spitze der Schaufel umfasst die Spitzenkappe und eine Anstreifkante, der sich radial von der druckseitigen und saugseitigen Wand zu einer Spitzenkrone an der Druck- und der Saugseite erstreckt. Zusammen mit der äußeren Oberfläche der Spitzenkappe bildet die Anstreifkante einen Halbraum. Weitere Kühlkanäle erstrecken sich von dem Hohlraum innerhalb der Schaufel zur Anstreifkante und ermöglichen, dass das Kühlfluid aus dem Hohlraum innerhalb der Schaufel austritt und die Anstreifkante kühlt.
Gemäß der Erfindung umfasst die Anstreifkante eine Aushöhlung, die sich vom Halbraum in die Anstreifkante erstreckt. Diese Aushöhlung reicht bis in die Kühlkanäle hinein, die sich vom Hohlraum innerhalb der Schaufel bis zur Spitzenkrone erstrecken, so dass diese Kühlkanäle in einen ersten und einen zweiten Teil unterteilt werden. Der erste Teil führt vom Hohlraum zu einer Austrittsöffnung in der Aushöhlung, und der zweite Teil führt von der Aushöhlung zu einer Austrittsöffnung auf der Spitzenkrone.A turbine blade for a gas turbine that extends from a root to a tip and has a pressure side and a suction side includes a pressure side wall, a suction side wall, and a tip cap. The inner surfaces of the pressure-side and suction-side walls, together with the inner surface of the tip cap, form a cavity with cooling passages through which a cooling fluid flows and the scoop cools from the inside by convection. The tip of the blade includes the tip cap and a squeal edge extending radially from the pressure side and suction side walls to a tip crown on the pressure and suction sides. Together with the outer surface of the tip cap, the squeal edge forms a half space. Other cooling channels extend from the cavity within the blade to the squeal edge and allow the cooling fluid to exit the cavity within the blade and cool the squeal edge.
According to the invention, the squealer edge comprises a cavity which extends from the half-space into the squealer edge. This cavity extends into the cooling channels, which extend from the cavity within the blade to the tip crown, so that these cooling channels are divided into a first and a second part. The first part leads from the cavity to an exit opening in the cavity and the second part leads from the cavity to an exit opening on the tip crown.
Die Aushöhlung in der Anstreifkante stellt eine zusätzliche Austrittsöffnung bereit, damit das Kühlfluid in Richtung des Spitzenbereichs austreten kann. Die Anstreifkante mit dem zweiten Bereich des Kühlkanals schützt die Aushöhlung und die zusätzliche Austrittsöffnung vor einer Berührung mit dem äußeren Hitzeschild oder anderen Komponenten und vor Material, das bei einer solchen Berührung abgerieben wird. Im Falle einer solchen Berührung werden die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone durch das abgeriebene Material teilweise oder vollständig blockiert, und das Kühlfluid kann nicht mehr durch den zweiten Bereich des Kühlkanals zu der Spitzenkrone strömen, um die Anstreifkante von innen zu kühlen. Statt dessen tritt das Kühlfluid durch die zusätzliche Austrittsöffnung in der Aushöhlung aus, strömt in den Halbraum und von dort um die Anstreifkante herum bis zur Spitzenkrone. Es kühlt die Anstreifkante in wirksamer Weise an dessen äußerer Oberfläche durch Filmkühlung und mischt sich schließlich in den Leckstrom der Gasturbine.
Sofern es nicht zu einem Reiben mit den Turbinenkomponenten kommt, kann das flüssige oder gasförmige Kühlfluid ungehindert durch den ersten Bereich in die Aushöhlung und von dort weiter durch den zweiten Bereich des Kühlkanals zu der Spitzenkrone fließen, wobei es die Anstreifkante von innen durch Konvektion kühlt.The concavity in the squealer provides an additional exit port for the cooling fluid to enter Direction of the tip area can escape. The squeegee edge with the second portion of the cooling channel protects the cavity and the additional exit opening from contact with the outer heat shield or other components and material that is rubbed off on such contact. In the event of such contact, the exit openings on the tip crown are partially or completely blocked by the abraded material, and the cooling fluid can no longer flow through the second area of the cooling channel to the tip crown to cool the squeal edge from the inside. Instead, the cooling fluid exits through the additional exit opening in the cavity, flows into the half space and from there around the squealer edge to the tip crown. It effectively cools the squeal edge on its outer surface by film cooling and eventually mixes into the leakage current of the gas turbine.
Unless there is rubbing with the turbine components, the liquid or gaseous cooling fluid can flow unhindered through the first region into the cavity and thence through the second region of the cooling channel to the tip crown, cooling the squealer edge from the inside by convection.
Die Kühlkonstruktion gemäß der Erfindung sorgt so selbst dann für eine Kühlung, wenn die Austrittsöffnung verschmiert worden ist. Insbesondere erreicht das Kühlfluid den äußersten Rand der Anstreifkante sowohl in den Fällen, in denen die Austrittsöffnungen frei sind, als auch in den Fällen, in denen die Austrittsöffnungen blockiert sind. Darüber hinaus sorgt die Kühlkonstruktion ungeachtet der Größe der abgeriebenen Materialpartikel für eine Kühlung.The cooling structure according to the invention thus provides cooling even if the outlet has been smeared. In particular, the cooling fluid reaches the outermost edge of the squealer edge both in the cases where the exit openings are free and in the cases where the exit openings are blocked. In addition, the cooling design provides cooling regardless of the size of the abraded material particles.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aushöhlung in der Anstreifkante sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Schaufel bereitgestellt. Diese Lösung ist besonders für Schaufeln geeignet, die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Schaufel aufweisen.In a preferred embodiment of the invention, the concavity in the squealer edge is provided on both the pressure side and the suction side of the blade. This solution is particularly suitable for blades having outlet openings on the tip crown on both the pressure side and the suction side of the blade.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aushöhlung in der Anstreifkante nur auf der Saugseite bereitgestellt. Bei einigen Schaufeltypen werden die Austrittsöffnungen der Kühlkanäle auf der Druckseite des Spitzenbereichs unterhalb der Spitzenkrone angeordnet. Für diese Austrittsöffnungen ist das Problem des Blockierens nicht so schwerwiegend wie bei den Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone der Saugseite, und demzufolge sind Maßnahmen zum Schutz der Austrittsöffnungen nicht unbedingt notwendig.In a further preferred embodiment of the invention, the cavity in the rubbing edge is provided only on the suction side. In some types of blades, the exit ports of the cooling channels are located on the pressure side of the tip section below the tip crown. For these discharge ports, the problem of blocking is not as severe as with the discharge ports on the tip crown of the suction side, and accordingly, measures to protect the discharge ports are not absolutely necessary.
Die Aushöhlung gemäß der Erfindung hat eine erste Seitenwand, die im wesentlichen in der Ebene der äußeren Oberfläche der Spitzenkappe liegt. Eine zweite Seitenwand der Aushöhlung erstreckt sich von dieser ersten Seitenwand der Aushöhlung zu einer dritten Seitenwand, die im wesentlichen parallel zur Krone der Anstreifkantes ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Seitenwand der Aushöhlung entweder gekrümmt oder gerade, mit scharfen Ecken zur ersten und dritten Seitenwand der Aushöhlung. Eine Aushöhlung mit gekrümmten oder gerundeten Seitenwänden wird am zweckmäßigsten durch Guss hergestellt. Eine Aushöhlung mit einer geraden Seitenwand und scharfen Ecken wird zweckmäßiger durch andere Verfahren, wie zum Beispiel durch elektrochemische Abtragungsmethoden, hergestellt.The cavity according to the invention has a first sidewall which lies substantially in the plane of the outer surface of the tip cap. A second side wall of the cavity extends from said first sidewall of the cavity to a third sidewall substantially parallel to the crown of the squealer edge.
In a preferred embodiment of the invention, the second sidewall of the cavity is either curved or straight, with sharp corners to the first and third sidewalls of the cavity. A cavity with curved or rounded sidewalls is most conveniently made by casting. A cavity with a straight sidewall and sharp corners is more conveniently made by other methods, such as by electrochemical ablation techniques.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anstreifkante abgerundete Ecken oder scharfe, beispielsweise rechteckige, Ecken. Scharfe Ecken an der Anstreifkante sind hinsichtlich des Leckstroms an dem Schaufelkopf vorteilhaft, da die scharfen Ecken eine höhere Durchflusszahl gewährleisten.In a further preferred embodiment of the invention, the squeal edge comprises rounded corners or sharp, for example rectangular, corners. Sharp corners on the squeal edge are advantageous in terms of the leakage current at the blade head, as the sharp corners ensure a higher flow rate.
- Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Laufschaufel gemäß der Erfindung mit einer Anstreifkante und Austrittsöffnungen der zweiten Teile der Kühlkanäle auf der Spitzenkrone der Saugseite und einer Aushöhlung in der Anstreifkante, welche die Austrittsöffnungen der ersten Teile der Kühlkanäle aufzeigt.Figure 1 shows a perspective view of a blade according to the invention with a squealer and outlet openings of the second parts of the cooling channels on the tip crown of the suction side and a cavity in the squealer, which shows the outlet openings of the first parts of the cooling channels.
- Figur 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II des Spitzenbereichs einer Laufschaufel gemäß der Erfindung mit der Aushöhlung in der Anstreifkante und dem ersten und zweiten Teil eines Kühlkanals.Figure 2 shows a cross section along the line II-II of the tip portion of a blade according to the invention with the cavity in the squealer edge and the first and second part of a cooling channel.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des radial äußeren Bereichs einer Laufschaufel 1 für eine Gasturbine gemäß der Erfindung mit einer druckseitigen Wand 2, einer saugseitigen Wand 3 und einer Spitzenkappe 4 am radialen Ende der Schaufel. Innerhalb der Laufschaufel 1 bilden die innere Oberfläche der Spitzenkappe 4 und die inneren Oberflächen der druckseitigen und der saugseitigen Wand einen Hohlraum 5. Ein Kühlfluid - in der Regel Luft, die vom Verdichter der Turbine entnommen wird - zirkuliert innerhalb des Hohlraums 5 und kühlt die druck- und saugseitige Wand von innen durch Konvektion.
Die Abbildung zeigt insbesondere den Spitzenbereich der Schaufel, die eine Anstreifkante 6 umfasst und den Spitzenbereich der Schaufel vor Schäden im Falle einer Berührung mit dem Gehäuse der Gasturbine schützt. Die Anstreifkante erstreckt sich radial von der druck- und saugseitigen Wand 2 und 3 zur Spitzenkrone der Druckseite 7 beziehungsweise der Spitzenkrone der Saugseite 8. Die Anstreifkante 6 bildet zusammen mit der Spitzenkappe 4 einen Halbraum 9. Die Kühlkanäle erstrecken sich von dem Hohlraum 5 innerhalb der Schaufel durch die Anstreifkante 6 bis zum Spitzenbereich der Schaufel. Das Kühlfluid strömt durch diese Kühlkanäle und kühlt die Anstreifkante durch Kühlung von innen. Das Kühlfluid tritt dann aus den Kanälen durch die Austrittsöffnungen, kühlt die Anstreifkante, indem es um die Krone strömt, und vermischt sich schließlich mit dem Leckstrom der Gasturbine. Auf der Druckseite der Schaufel 1 sind mehrere Austrittsöffnungen 10 von Kühlkanälen auf der Anstreifkante und etwas unterhalb der Spitzenkrone 7 angeordnet. Mehrere zusätzliche Austrittsöffnungen 11 der Kühlkanäle sind auf der Spitzenkrone der Saugseite 8 angeordnet. Gemäß der Erfindung umfasst die Anstreifkante eine Aushöhlung, die sich von der Spitzenkappe 4 in die Anstreifkante 6 erstreckt. Die Aushöhlung unterteilt die Kühlkanäle in der Nähe der Saugseite in einen ersten Teil, der sich von dem Hohlraum 5 zu den Austrittsöffnungen 11' in der Aushöhlung erstreckt, und in einen zweiten Teil, der sich von der Aushöhlung zu den Austrittsöffnungen 11 auf der Spitzenkrone 8 der Saugseite erstreckt.Figure 1 shows a perspective view of the radially outer portion of a
In particular, the figure shows the tip area of the blade, which includes a
Figur 2 zeigt den Querschnitt entlang der Linie II-II des Spitzenbereichs der Laufschaufel 1 mit der druckseitigen Wand 2 und der saugseitigen Wand 3. Der Hohlraum 5 wird durch die innere Oberfläche 12 und die innere Oberfläche 13 der druck- beziehungsweise der saugseitigen Wand sowie der inneren Oberfläche 14 der Spitzenkappe 4 gebildet. Ein Kühlkanal 15 erstreckt sich in einem ersten Teil 17 vom Hohlraum 5 durch die Spitzenkappe 4 zur Austrittsöffnung 11' und in die Aushöhlung 16. Der zweite Teil 18 des Kanals 15 erstreckt sich von der Aushöhlung 16 durch die Anstreifkante 6 zur Austrittsöffnung 11 auf der Spitzenkrone 8 der Saugseite.Figure 2 shows the cross-section along the line II-II of the tip portion of the
Sofern der zweite Teil des Kühlkanals und dessen Austrittsöffnungen 11 auf der Spitzenkrone frei sind, kann das Kühlfluid 20 ungehindert zum äußersten Rand der Anstreifkante strömen und sich in den Leckstrom 22 mischen. Falls jedoch die Austrittsöffnung 11 durch Material verstopft ist, das von dem äußeren Hitzeschild oder der Spitzenkrone der Schaufel abgerieben wurde, nimmt das Kühlfluid einen Weg 23 von der Aushöhlung 16 in den Halbraum 9 und um die Anstreifkante herum zur Spitzenkrone 8. In beiden Fällen wird eine ausreichende Kühlung der Anstreifkantes einschließlich dessen äußerste Kante erreicht, und zwar unabhängig davon, in welchem Umfang der zweite Teil 18 des Kühlkanals verstopft ist.If the second part of the cooling channel and its
Die Aushöhlung 16 ist hier mit einer gerundeten oder gebogenen Seitenwand ausgebildet, die am zweckmäßigsten durch Guss hergestellt wird. Eine rechteckige Aushöhlung wird am wirtschaftlichsten durch eine spanabhebende Formgebung hergestellt. Beide Formen sind vom Standpunkt des Kühlmittelstroms und der Wirksamkeit der Kühlung geeignet.The
Die Anstreifkante 6 hat eine Form mit entweder scharfen, beispielsweise rechteckigen, Ecken oder gerundeten Ecken. Hinsichtlich des Leckstroms der Schaufelspitze führen scharfe Ecken zu einer besseren Durchflusszahl.The
Ein weiterer Kühlkanal 25 erstreckt sich vom Hohlraum 5 zur Druckseite der Schaufel 1. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung führt der Kanal 25 zu einer Austrittsöffnung 10, die auf der Druckseite der Schaufel und unterhalb der Spitzenkrone 7 der Druckseite angeordnet ist. Das Kühlfluid 26, das durch diese Austrittsöffnung 10 fließt, strömt um die Anstreifkante 6 herum, über die Spitzenkrone 7 der Druckseite in den Halbraum 9 und von dort aus weiter in den Leckstrom 22. Da die Austrittsöffnungen 10 unterhalb der Spitzenkrone angeordnet sind, sind sie nicht so anfällig auf ein Verstopfen mit abgeriebenem Material wie die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone der Saugseite und benötigen deshalb keinen Schutz.A further cooling
In einer Variante der dargestellten Ausführungsform, einer allgemeineren Ausführungsform der Erfindung, erstrecken sich die Kühlkanäle auf der Druckseite über den ganzen Weg bis zur Spitzenkrone, wie dies entlang der Saugseite der Schaufel der Fall ist. Ähnlich wie die Kühlkonstruktion auf der Saugseite, die in der Figur angegeben ist, umfasst die Anstreifkante ebenfalls eine Aushöhlung auf der Druckseite, welche den Kühlkanal - in der gleichen Weise wie auf der Saugseite der Schaufel in zwei Teile unterteilt.In a variant of the illustrated embodiment, a more general embodiment of the invention, the cooling channels extend on the pressure side all the way to the tip crown, as is the case along the suction side of the blade. Similar to the cooling structure on the suction side, which is indicated in the figure, the squeal edge also includes a cavity on the pressure side, which divides the cooling channel into two parts in the same way as on the suction side of the blade.
In den meisten Fällen sorgen Kühlkanäle, die zur Druckseite führen, wie es in der Figur dargestellt ist, für eine ausreichende Kühlung der Anstreifkante, so dass eine Konstruktion mit einer Aushöhlung auf dieser Seite nicht notwendig ist.In most cases, cooling channels leading to the pressure side, as shown in the figure, provide sufficient cooling of the squealer edge, so that a construction with a cavity on that side is not necessary.
- 11
- Laufschaufelblade
- 22
- druckseitige Wandpressure-side wall
- 33
- saugseitige Wandsuction-side wall
- 44
- Spitzenkappetip cap
- 55
- Hohlraumcavity
- 66
- Anstreifkantesquealer
- 77
- Spitzenkrone auf der DruckseiteLace crown on the print side
- 88th
- Spitzenkrone auf der SaugseiteLace crown on the suction side
- 99
- Halbraumhalf space
- 1010
- Austrittsöffnung des Kühlkanals auf der DruckseiteOutlet opening of the cooling channel on the pressure side
- 1111
- Austrittsöffnung des Kühlkanals auf der SaugseiteOutlet opening of the cooling channel on the suction side
- 11'11 '
- Austrittsöffnung innerhalb der Aushöhlung an der Anstreifkante an der SaugseiteOutlet opening within the cavity at the squealer on the suction side
- 1212
- Innere Oberfläche der druckseitigen WandInner surface of the pressure-side wall
- 1313
- Innere Oberfläche der saugseitigen WandInner surface of the suction side wall
- 1414
- Innere Oberfläche der SpitzenkappeInner surface of the top cap
- 1515
- Kühlkanal auf der SaugseiteCooling channel on the suction side
- 1616
- Aushöhlung in der AnstreifkanteExcavation in the squealer
- 1717
- Erster Teil des Kühlkanals auf der SaugseiteFirst part of the cooling channel on the suction side
- 1818
- Zweiter Teil des Kühlkanals auf der SaugseiteSecond part of the cooling channel on the suction side
- 2020
- Kühlmittelstrom auf der Saugseite durch die SpitzenkroneCoolant flow on the suction side through the tip crown
- 2222
- Leckstrom der GasturbineLeakage current of the gas turbine
- 2323
- Kühlmittelstrom auf der Saugseite der Schaufel in den Halbraum und um die Spitzenkrone der Saugseite herumCoolant flow on the suction side of the blade in the half space and around the tip crown of the suction side
- 2525
- Kühlkanal auf der DruckseiteCooling channel on the pressure side
- 2626
- Kühlmittelstrom auf der DruckseiteCoolant flow on the pressure side
Claims (6)
- Blade (1) for a gas turbine comprising a pressure-side wall (2) and a suction-side wall (3), a tip cap (4), a hollow space (5) defined by the inner surface (12, 13, 14) of the pressure-side wall (2), the suction-side wall (3) and the tip cap (4), a tip squealer (6) extending radially from the pressure- and suction-side wall (2,3) and having a tip crown (7, 8), a half-space (9) defined by the outer surface of the tip cap (4) and the tip squealer (6), and cooling passages (15) leading from the hollow space (5) to the tip squealer (6) and opening into an exit hole on the tip crown (7, 8) of the tip squealer (6),
characterized in that
the tip squealer (6) comprises a cavity (16) extending from the half-space (9) into the tip squealer such that the cavity (16) divides the cooling passages (15) in each case into a first portion (17) and a second portion (18) where the first portion (17) has an exit hole (11') in the cavity (16) so that a cooling fluid (20, 23) can flow into the half-space (9) and about the tip squealer (6) and the second portion (18) leads to the exit hole (11) on the tip crown (8) of the tip squealer (6). - Blade (1) according to Claim 1,
characterized in that
the cavity in the tip squealer (6) extends along both the pressure side as well as the suction side of the blade (1). - Blade (1) according to Claim 1,
characterized in that
the cavity (16) in the tip squealer (6) extends along the suction side of the blade (1). - Blade (1) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the cavity (16) comprises a first sidewall that is substantially in the plane of the outer surface of the tip cap (4), and a second sidewall that extends from the first sidewall to a third sidewall, where the third sidewall is substantially parallel to the tip squealer tip crown (8). - Blade (1) according to Claim 4,
characterized in that
the second sidewall of the cavity (16) is either curved or straight with sharp corners to the first and the third sidewall. - Blade (1) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the tip squealer (6) comprises rounded corners or sharp, for example rectangular, corners.
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