CH695703A5 - Gas turbine blade has leading edge with radial smooth-outline cross section - Google Patents

Abstract

The blade has a compression-side wall (2), an induction-side wall (4) and a leading edge (6) with a cavity (5) for coolant. The leading edge has a smooth outline with curved and straight parts (10, 11, 12, 13) to provide a uniform flow of coolant about the leading edge and inside the apex cavity (9). The outlet channels (14, 16) are at an angle to the radial direction.

Description

       

  Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine insbesondere mit einer Anstreifkante gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Allgemeiner Stand der Technik

[0002] Die Schaufeln in Gasturbinen, die eine sich vom Fuss zur Spitze erstreckende Druckseite und Saugseite umfassen, sind in der Regel mit einem Spitzenteil versehen. Dieser Spitzenteil schützt die Schaufel vor Beschädigung durch Kontakt mit dem Turbinengehäuse. Er besteht aus einer Spitzenkappe zwischen dem radialen Ende der Druck- und Saugseitenwand und einer sich radial von der Spitzenkappe weg entlang den Druck- und Saugseitenwänden der Schaufel erstreckenden Anstreifkante. Im Betrieb der Gasturbine müssen die Schaufeln sehr hohen Temperaturen widerstehen.

   Zur Verhinderung einer Beschädigung durch die hohe Gastemperatur, wodurch sich die Lebensdauer der Schaufel verkürzen würde, sind die Schaufeln mit einer Kühlkonstruktion für Kühlfluid versehen, das die Schaufel durchströmt und sie durch verschiedene physikalische Mittel kühlen soll. Zwischen den Druckseiten- und Saugseitenwänden befindet sich ein Hohlraum für Kühlfluid, in der Regel aus dem Kompressor abgelassene Luft, das durch den Hohlraum strömen und die Seitenwände durch Konvektion kühlen soll. Im Bereich des Spitzenteils ist Kühlung jedoch besonders kritisch, da die Anstreifkante in der Regel eine geringe Dicke aufweist und für Hochtemperaturoxidation und andere Beschädigungen durch Überhitzung anfällig ist.

[0003] Eine typische Kühlkonstruktion für den Spitzenteil wird in der EP 816 636 beschrieben.

   Eine Anstreifkante erstreckt sich radial von einer Spitzenkappe und entlang der Druck- und Saugseitenwand der Schaufel. Die Spitzenanstreifkante weist gerade Seitenwände und sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite Spitzenkronen rechteckiger Form auf. Erste Austrittskanäle für das Kühlfluid führen von dem Hohlraum radial durch die Spitzenkappe zur Spitzenkavität, die durch die Seitenwände der Anstreifkante an ihren Seiten umschlossen ist. Das Kühlfluid strömt in die Spitzenkavität und über die saugseitige Spitzenkrone, kühlt diesen Teil durch Konvektion und wird schliesslich mit dem Leckstrom vermischt. Zweite Austrittskanäle führen von dem Hohlraum zur Druckseite der Schaufel, wobei ihre Achsen in einem Winkel zur Radialrichtung ausgerichtet sind.

   Kühlfluid strömt von dem Hohlraum zur Druckseite und von dort über die druckseitige Spitzenkrone und durch die Spitzenkavität und wird schliesslich mit dem Leckstrom vermischt. Diese Art von Kühlkonstruktion weist den Nachteil auf, dass das Kühlfluid in der Spitzenkavität und insbesondere entlang den Innenkanten der Anstreifkante Wirbel erzeugen kann, die die Kühlleistung vermindern. Die verminderte Kühlleistung führt dazu, dass für die Kühlung eine grössere Menge an Kühlfluid erforderlich ist.

[0004] Die US 5 183 385 offenbart eine weitere Kühlkonstruktion für den Spitzenteil einer Gasturbinenschaufel. Sie umfasst eine Anstreifkante mit einer rechteckigen Querschnittsform, die der oben beschriebenen Konstruktion ähnelt. Die Kühlkanäle vom Hohlraum führen radial durch die Spitzenkappe in die Spitzenkavität.

   Gemäss den Fig. 7-10 der Offenbarung weisen sie einen ersten geraden Abschnitt und in der Nähe der Spitzenkappenoberfläche einen trichterförmigen, sich ausbreitender Abschnitt mit einem rechteckigen Querschnitt auf, so dass der äussere Lochteil ein rechteckiges Trapez bildet. Die besondere Form sorgt für eine Erweiterung des Kühlstroms parallel zu der Anstreifkantenfläche.

[0005] Die US 5 738 491 beschreibt eine weitere Kühlkonstruktionsart für eine Schaufel mit einer rechteckigen Anstreifkante, die auf Konvektions- und Leitungskühlung basiert. Ein Wärmeleiter ist mit der sich radial zur Spitzenkappe erstreckenden Anstreifkante fest verbunden. Das im Hohlraum radial von der Spitzenkappe einwärts strömende Kühlfluid führt dann zur Spitzenkappe geleitete Wärme ab.

   Bei einer besonderen Ausführungsform ist die Spitzenkavität mit mehreren Rippen versehen, die chordal beabstandet sind und sich zwischen der Anstreifkante auf der Druckseite und der Anstreifkante auf der Saugseite erstrecken.

Darstellung der Erfindung

[0006] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Anstreifkantenkühlkonstruktion für eine Schaufel in einer Gasturbine, die im Vergleich zu Kühlkonstruktionen nach dem Stand der Technik eine verbesserte Kühlleistung um die Anstreifkante der Schaufel herum ergibt.

[0007] Eine Schaufel für eine Gasturbine mit einer Druckseite und einer Saugseite umfasst eine sich vom Fuss zur Spitze der Schaufel erstreckende Druckseitenwand und Saugseitenwand. Der Spitzenteil der Schaufel umfasst eine Spitzenkappe und eine Anstreifkante.

   Die Spitzenkappe bildet die radiale Endfläche der Schaufel, während die Anstreifkante die Schaufelspitze vor Beschädigung durch Kontakt mit dem die Schaufeln umschliessenden Gasturbinengehäuse schützen soll. Die Anstreifkante erstreckt sich radial von der Druckseitenwand zu einer druckseitigen Spitzenkrone und von der Saugseitenwand zu einer saugseitigen Spitzenkrone. Sie erstreckt sich entlang der Kante der Spitzenkappe auf der Druck- und Saugseite der Schaufel. Die Spitzenkappe und die Anstreifkante definieren eine Spitzenkavität oder Spitzentasche. In der Schaufel wird durch die Innenflächen der Druck- und Saugseitenwände und die Innenfläche der Spitzenkappe ein Hohlraum definiert, durch den Kühlfluid strömen soll.

   Mehrere Austrittskanäle für Kühlfluid sind vom Hohlraum in der Schaufel zur Druckseite der Schaufel gerichtet, und mehrere weitere Austrittskanäle für Kühlfluid führen vom Hohlraum durch die Spitzenkappe zur Spitzenkavität. Erfindungsgemäss weist die Anstreifkante einen radialen Querschnitt mit einer glatten Kontur auf.

[0008] Die glatte Kontur der Anstreifkante erstreckt sich von der Krone der Anstreif kante auf der Druckseite in die Spitzenkavität und entlang der Spitzenkavität zur Krone der Anstreifkante auf der Saugseite. Die Kontur umfasst einen oder mehrere gekrümmte Abschnitte oder mehrere gerade Abschnitte oder einen oder mehrere gekrümmte sowie gerade Abschnitte. Insbesondere weist die Kontur der Anstreifkante keine plötzlichen Richtungsänderungen auf.

   Das heisst, der Unterschied beim Krümmungsradius der mehreren gekrümmten Abschnitte und die Neigungsunterschiede zwischen den geraden Abschnitten sind gering. Das durch die Austrittskanäle auf der Druckseite strömende Kühlfluid strömt um die druckseitige Spitzenkrone herum und in die Spitzenkavität, entlang der konturierten Kavitätsflache und weiter zur saugseitigen Spitzenkrone, wo es mit dem Leckstrom der Gasturbine vermischt wird.

[0009] Infolge der glatten Kontur ist der sich vom Hohlraum durch die Spitzenkappe zur Spitzenkavität erstreckende Austrittskanal nahe der Heissgaswand auf der Saugseite der Schaufel positioniert. Das Kühlfluid strömt nahe der Spitzenkrone auf der Saugseite und somit nahe der Heissgasfläche. Dadurch wird eine Kühlung der nahen Wand gestattet, wodurch die Wärmebelastung nahe dem oberen Teil der Saugseite beseitigt wird.

   Im Vergleich dazu befindet sich bei einer herkömmlichen Anstreifkante das Austrittsloch des Kühlkanals auf der Spitzenkappenoberfläche und viel weiter von der Spitzenkrone entfernt.

[0010] Die glatte Kontur gestattet einen gleichmässigen Strom des Kühlfluids um die Spitzenkronen herum und innerhalb der Spitzenkavität. Das über die glatte Kontur strömende Kühlfluid erfährt keine plötzlichen Änderungen der Strömungsrichtung, da es keine scharfen Ecken oder anderen plötzlichen Neigungsänderungen gibt. Insbesondere wird durch die glatte Kontur die Bildung von Wirbeln vermieden. Die sich ergebende ruhige Strömung des Kühlfluids ermöglicht eine verbesserte Filmkühlung der Spitzenkappenfläche und der Anstreifkante.

   Dadurch ergibt sich eine verbesserte Kühlwirksamkeit, wodurch wiederum die erforderliche Kühlfluidmenge reduziert wird.

[0011] Die vom Spitzenteil in die Schaufel übertragene Wärmebelastung ist proportional zur Oberfläche des Schaufelspitzenteils, die auch als Heissgasseitenfläche bezeichnet wird. Die erfindungsgemässe glatt konturierte Anstreifkante weist im Vergleich zu einer herkömmlichen Anstreifkante mit rechteckiger Kontur eine kleinere Heissgasseitenfläche auf.

   Deshalb braucht von der kleineren Heissgasseitenfläche der erfindungsgemässen Schaufel eine geringere Wärmebelastung in die Schaufel übertragen zu werden, und die erforderliche Menge an Kühlfluid ist wiederum reduziert.

[0012] Schliesslich ergibt die Anstreifkante mit einer glatten Kontur gemäss der Erfindung einen höheren Spitzenabschnittsrippenwirkungsgrad, wobei es sich um die Fähigkeit handelt, die Wärmebelastung von der Anstreifkante wegzuleiten. Die Anstreifkante erstreckt sich wie Rippen radial von der Schaufel weg und leitet die Wärmebelastung von den Spitzenkronen weg durch die Grundfläche der Rippen zu den Primärschaufelkühlkanälen oder dem Hohlraum in der Schaufel.

   Die Anstreifkante mit einer glatten Kontur weist im Vergleich zu einer rechteckigen Anstreifkante eine vergrösserte Grundfläche auf und leitet deshalb Wärme effizienter von den Spitzenkronen weg.

[0013] Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anstreifkante in der Spitzenkavität einen oder mehrere gekrümmte Teile oder einen oder mehrere gerade Teile oder einen oder mehrere gerade und gekrümmte Teile.

   Die Neigungswinkel der geraden Teile und die Krümmungsradien der gekrümmten Teile werden so ausgewählt, dass es keine plötzlichen Richtungsänderungen eines über die Fläche der Spitzenkavität und um die Anstreifkantenkronen herum strömenden Kühlfluids gibt.

[0014] Bei einer besonderen und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kontur der Anstreifkante im Spitzenhohlraum zwei gekrümmte Teile und einen geraden Teil zwischen der Druckseitenspitzenkrone und der Mitte der Spitzenkavität. Der erste gekrümmte Teil erstreckt sich von der Druckseitenspitzenkrone zur Mitte der Spitzenkappe und weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von weniger als 0.76 mm (0.03 Zoll) auf.

   Der zweite gekrümmte Teil erstreckt sich vom ersten Teil zur Mitte der Spitzenkappe und weist einen Krümmungsradius auf, der grösser als die Höhe der Anstreifkante und vorzugsweise grösser als 10.2 mm (0.4 Zoll) ist. Der gerade Teil erstreckt sich von dem zweiten gekrümmten Teil zur Mitte der Spitzenkappe und weist zur Mittellinie der Spitzenkappe einen Neigungswinkel von 3 deg. bis 45 deg. auf.

[0015] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kontur der Anstreifkante in der Spitzenkavität einen zweiten geraden Teil, der sich von der Mitte der Spitzenkappe zur Innenkante der Saugseitenspitzenkrone erstreckt.

   Dieser zweite gerade Teil weist zur Mittellinie der Spitzenkappe einen Neigungswinkel von 15 deg. bis 45 deg. auf.

[0016] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die sich vom Hohlraum zur Druckseite der Schaufel erstreckenden Austrittskanäle eine Kanalachse auf, die in einem Winkel zur Radialrichtung ausgerichtet ist. Die Radialrichtung ist als die radial nach aussen verlaufende Richtung der Innenfläche der Druckseitenwand definiert.

   Die Kanalachse ist des weiteren in einem Winkel zur Strömungsrichtung ausgerichtet, wobei es sich um die Richtung entlang dem Heissgasstrom von der Vorderkante zur Hinterkante der Schaufel handelt.

[0017] Bei einer besonderen Ausführungsform ist die zur Druckseite der Schaufel verlaufende Achse des Austrittskanals in einem Winkel zur Radialrichtung, der in einem Bereich von 15 deg. bis 65  , vorzugsweise in einem Bereich von 20 deg. bis 35  , von der druckseitigen Spitzenkrone weg gerichtet liegt, und in einem Winkel zur Strömungsrichtung, der in einem Bereich von 30 deg. bis 90  , vorzugsweise in einem Bereich von 45 deg. bis 90 deg.

   liegt, ausgerichtet.

[0018] Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung weisen die sich vom Hohlraum durch die Spitzenkappe zur Spitzenkavität erstreckenden Austrittskanäle eine Kanalachse auf, die sowohl zur Radialrichtung als auch zur Strömungsrichtung in einem Winkel ausgerichtet ist.

[0019] Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Winkel zur Radialrichtung in einem Bereich von 0 deg. bis 45  , vorzugsweise von 20 deg. bis 30  , und ist zur saugseitigen Spitzenkrone ausgerichtet. Der Winkel zur Strömungsrichtung liegt in einem Bereich von 35 deg. bis 90  , vorzugsweise von 35 deg. bis 55  .

[0020] Diese besonderen Ausrichtungen der Achsen der Austrittskanäle leiten den Kühlfluidstrom gleichmässiger an die Anstreifkante, so dass das Kühlfluid ohne grosse Richtungsänderungen an die Anstreifkante strömt.

   Diese Vorkehrung trägt zu einer weiteren Erhöhung des Filmkühlungswirkungsgrades bei.

[0021] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die zur Druckseite führenden Austrittskanäle über die gesamte Länge des Austrittskanals oder zumindest über den zur Austrittsöffnung führenden Endteil des Austrittskanals eine sich ausbreitende Form auf. Im letzteren Fall weist der Austrittskanal beginnend am Hohlraum der Schaufel und in einen Teil der Austrittskanallänge verlaufend eine zylindrische Form und ausgehend vom zylindrischen Teil zur Austrittsöffnung des Kanals eine sich ausbreitende Form auf. Der zylindrisch geformte Teil des Austrittskanals soll den Kühlstrom durch den Kanal dosieren oder steuern.

[0022] Darüber hinaus befindet sich die Diffusion des Austrittskanals entweder auf allen Seiten der Kanalachse oder nur auf einer Seite der Kanalachse.

   Im letzteren Fall ist die Diffusion zur druckseitigen Spitzenkrone der Anstreifkante gerichtet. Dann weist der Austrittskanal einen teilweise kreisrunden und teilweise ovalen Querschnitt senkrecht zur Kühlfluidströmungsrichtung auf.

[0023] Bei einer weiteren Ausführungsform gelten die gleichen Eigenschaften für die vom Hohlraum zur Spitzenkavität führenden Austrittskanäle. Sie umfassen eine zur saugseitigen Spitzenkrone gerichtete sich ausbreitende Form. Die sich ausbreitende Form ist wiederum entweder über die gesamte Länge des Austrittskanals oder mindestens über den zur Austrittsöffnung des Kanals führenden Endteil des Austrittskanals ausgebildet.

   Im letzteren Fall weist der Austrittskanal eine am Hohlraum der Schaufel beginnende und sich in einen Teil der Austrittskanallänge erstreckende zylindrische Form und eine sich vom zylindrischen Teil zur Austrittsöffnung des Kanals erstreckende sich ausbreitende Form auf.

[0024] Darüber hinaus verläuft die Diffusion entweder zu allen Seiten der Kanalachse oder nur zu einer Seite der Kanalachse. Im letzteren Fall ist die Diffusion zur saugseitigen Spitzenkrone der Anstreifkante gerichtet. Dann weist der Austrittskanal einen teilweise kreisrunden und teilweise ovalen Querschnitt senkrecht zur Kühlfluidströmungsrichtung auf.

[0025] Wenn sich das Kühlfluid der Austrittsöffnung des Austrittskanals nähert, soll die Diffusion am Austrittskanal das Kühlfluid verteilen, und wenn es an die Anstreif kante strömt, soll es seine Austrittsgeschwindigkeit verringern.

   Dies ergibt eine weitere Verbesserung des Filmkühlungswirkungsgrades, da eine grössere Kühlfluidmenge nahe der Anstreifkantenfläche bleibt.

[0026] Bei einer besonderen Ausführungsform sind die Seitenwände der Austrittskanäle, die sich zur Druckseitenwand erstrecken, in einem Winkel in einem Bereich von 7 deg. bis 12 deg. zur Austrittskanalachse ausgerichtet und zur druckseitigen Spitzenkrone gerichtet.

[0027] Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform sind die Seitenwände des sich vom Hohlraum zur Spitzenkavität erstreckenden Kanals in einem Winkel in einem Bereich von 7 deg. bis 12 deg.

   zur Austrittskanalachse ausgerichtet und zur Saugseitenspitzenkrone gerichtet.

[0028] Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die Austrittskanäle vom Hohlraum zur Anstreifkante, also die sowohl zur Druckseite als auch zur Spitzenkavität führenden, Seitenwände auf, die eine sich ausbreitende Form in einem Winkel zur Kanalachse aufweisen und in Strömungsrichtung gerichtet sind.

[0029] Dies bewirkt eine breitere Strömung vom Austrittskanal an die Anstreifkantenfläche und sorgt für eine weitere Verbesserung der Filmkühlung.

Kurze Beschreibung der Figuren

[0030] 
<tb>Fig. 1<sep>zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schaufel mit einem Spitzenteil, der eine erfindungsgemässe Anstreifkante aufweist,


  <tb>Fig. 2a)<sep>zeigt eine Querschnittansicht des Spitzenteils entlang den Linien II-II, die die erfindungsgemässe Anstreifkante und erfindungsgemässe Austrittskanäle für das Kühlfluid zeigt,


  <tb>Fig. 2b)<sep>stellt die Strömungsrichtung für die Schaufel dar und zeigt die Ausrichtung der Austrittskanäle bezüglich der Strömungsrichtung,


  <tb>Fig. 2c)<sep>zeigt die gleiche Ansicht wie Fig. 2a mit Austrittskanälen für das Kühlfluid gemäss einer Variante der Ausführungsform der Erfindung,


  <tb>Fig. 3<sep>zeigt eine Draufsicht des Spitzenteils der Schaufel mit Austrittslöchern der Austrittskanäle an der Spitzenkappenfläche und zeigt die Ausrichtung und Diffusion der durch die Druckseite der Anstreifkante führenden Austrittskanäle.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0031] Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemässen Schaufel 1 für eine Gasturbine mit einer Druckseitenwand 2, einer Saugseitenwand 3 und einer Spitzenkappe 4 am radialen Abschluss der Schaufel 1. In der Schaufel 1 wird durch die Innenflächen der Druckseitenwand 2, der Saugseitenwand 3 und der Spitzenkappe 4 ein Hohlraum 5 definiert.

   Ein Kühlfluid, in der Regel vom Kompressor der Gasturbine abgelassene Luft, zirkuliert im Hohlraum 5 und kühlt die Druck- und Saugseitenwände durch Konvektion.

[0032] Die Figur zeigt insbesondere den Spitzenteil der Schaufel mit einer Anstreifkante 6, die. den Schaufelspitzenteil vor Beschädigung bei Kontakt mit dem Gasturbinengehäuse schützt. Die Anstreifkante 6 erstreckt sich radial von der Druckseitenwand 2 und Saugseitenwand 3 zur druckseitigen Spitzenkrone 7 bzw. saugseitigen Spitzenkrone 8. Die Anstreifkante 6 und die Spitzenkappe 4 definieren eine Spitzenkavität, die auch als Spitzentasche 9 bezeichnet wird. Erfindungsgemäss weist die Anstreifkante 6 eine eher glatte als rechteckige Kontur in der Spitzenkavität auf.

   (Der Einfachheit halber werden die Austrittskanäle für das Kühlfluid vom Hohlraum in dieser Fig. 1 nicht gezeigt, in den folgenden Figuren aber dargestellt.)

[0033] Fig. 2a) zeigt einen radialen Querschnitt des Spitzenteils einer Schaufel 1 mit der Druckseitenwand 2, der Saugseitenwand 3 und der Spitzenkappe 4, deren Innenflächen den Hohlraum 5 definieren. Die Figur zeigt insbesondere die glatte Kontur der Anstreifkante 6. Beginnend an der druckseitigen Spitzenkrone 7, umfasst die Kontur einen ersten gekrümmten Teil 10, einen zweiten gekrümmten Teil 11 und einen flachen Teil 12.

[0034] Der erste gekrümmte Teil 10 ist ein kurzer Teil mit einem Krümmungsradius von vorzugsweise unter 0.76 mm (0.03 Zoll).

   An den ersten gekrümmten Teil 10 schliesst sich der zweite gekrümmte Teil 11 an, dessen Krümmungsradius vorzugsweise grösser als 10.2 mm (0.4 Zoll) und nicht kleiner als die Höhe der Anstreif kante ist. Der flache Teil 12 ist in einem Winkel theta  ¾ in einem Bereich von 3 deg. bis 15 deg. zur Mittellinie A der Spitzenkappe geneigt. Ein zweiter flacher Teil 13 erstreckt sich von der Mitte der Spitzenkappe zur Innenkante der saugseitigen Spitzenkrone 8.

   Der zweite flache Teil 13 ist in einem Winkel theta  ¾ in einem Bereich von 15 deg. bis 45 deg. zur Mittellinie A der Spitzenkappe ausgerichtet.

[0035] Bei einer in Fig. 2a) dargestellten Variante der Anstreifkante weisen die Kronen der Anstreifkante, insbesondere die Druckseitenspitzenkrone, abgerundete Kanten auf, die eine ruhigere Strömung des Kühlfluids um die Spitzenkronen in die Spitzenkavität und daraus heraus gestatten.

[0036] In Fig. 2a) erstreckt sich ein erster Austrittskanal 14 vom Hohlraum 5 durch die Spitzenkappe 4 zur Spitzenkavität 9 in der Nähe der Saugseitenspitzenkrone 8. Seine Achse ist in einem kleinen Winkel delta  zur Radialrichtung ausgerichtet, wobei die Radialrichtung die Richtung entlang der parallel zur Innenfläche 15 der Saugseitenwand 3 verlaufenden gestrichelten Linie ist.

   Der Winkel delta  liegt in einem Bereich von 0 deg. bis 45 deg. zur Saugseitenspitzenkrone gerichtet. Im Hinblick auf den Filmkühlungswirkungsgrad ergibt ein grösserer Winkel delta  bessere Ergebnisse. Allerdings würde ein grosser Winkel erfordern, dass der Austrittskanal weiter von der Saugseitenwand entfernt angeordnet wird, wodurch sich die Vorteile einer Kühlung der nahen Wand verringern würden. Somit ist ein Winkel delta  in einem Bereich von 20 deg. bis 30 deg. ein bevorzugter Kompromiss.

[0037] Gemäss Fig. 2b ist die Achse des Austrittskanals 14 zur Strömungsrichtung, bei der es sich um die Richtung des Heissgasstroms von der Vorder- zur Hinterkante der Schaufel handelt, weiterhin in einem Winkel phi  ausgerichtet.

   Die Achse ist in einem Winkel phi  in einem Bereich von 35 deg. bis 90 deg. zur Strömungsrichtung ausgerichtet und zur Schaufelhinterkante gerichtet.

[0038] Der Austrittskanal 14 umfasst einen ersten Teil 14 mit einer zylindrischen Form und einen zweiten Teil 14 ¾ ¾ mit einer zylindrischen Form in einer ersten Hälfte und einer sich ausbreitenden Form in der zweiten Hälfte. Die Seitenwand des zweiten Teils ist von sich ausbreitender Form und erstreckt sich in einem Winkel    zur Austrittskanalachse zur saugseitigen Spitzenkrone 8. Der Winkel    liegt in einem Bereich von 7 bis 12  . Der Winkel    verläuft zur Radialrichtung.

   Der Austrittskanal kann auch in einem Winkel zur Strömungsrichtung sich ausbreitend und zur Hinterkante der Schaufel gerichtet sein, wo dieser Ausbreitungswinkel auch in einem Bereich von 7 deg. bis 12 deg. liegt.

[0039] Ein zweiter Austrittskanal 16 erstreckt sich vom Hohlraum 5 durch die Druckseitenwand 2 zur Aussenwand der Anstreifkante 6. Seine Achse ist in einem Winkel alpha  zur Radialrichtung oder zur Innenfläche 17 der Druckseitenwand 2 ausgerichtet. Er umfasst einen ersten Teil 16 ¾ mit einer zylindrischen Form, der den Kühlfluidstrom durch den Kanal dosiert, und einen zweiten Teil 16 ¾ mit teilweiser sich ausbreitender Form. Die zweite Hälfte 16 ¾ ¾ weist eine sich in einem Winkel beta  zur Kanalachse zur Spitzenkavität erstreckende Seitenwand auf.

   Der Winkel alpha  liegt in einem Bereich von 15 deg. bis 65  , und der Winkel beta  liegt in einem Bereich von 7 deg. bis 12  . Darüber hinaus kann die Achse des Kanals 16 in einem Winkel omega  in einem Bereich von 45 deg. bis 90 deg. zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein, wie in Fig. 2b gezeigt. Die glatte Kontur der Anstreifkante 6 und die Form der Austrittskanäle 14, 16 gestatten eine verbesserte Filmkühlung der Anstreifkante 6 und Spitzenkappe 4 im Vergleich zu den Anstreifkanten nach dem Stand der Technik. Durch die sich ausbreitende Form der Austrittskanäle 14 und 16 wird die Austrittsgeschwindigkeit des Kühlfluidstroms verringert und gestattet, dass das Kühlfluid der Kontur der Anstreifkante leichter folgt. Darüber hinaus wird durch die glatte Kontur die Bildung von Wirbeln verhindert, die sich ansonsten in der Nähe scharfer Ecken bilden würden.

   Somit wird das Kühlfluid zur Filmkühlung der Anstreifkantenfläche optimal gerichtet.

[0040] Fig. 2b zeigt eine Schaufel mit einigen der Austrittskanäle 14 und 16 für das Kühlfluid und insbesondere die Ausrichtung der Kanalachsen bezüglich der Strömungsrichtung. Die Austrittskanäle 16 auf der Druckseite der Schaufel 1 sind in einem Winkel omega  zur Strömungsrichtung B ausgerichtet, bei der es sich um die Richtung des Heissgasstroms von der Vorder- zur Hinterkante der Schaufel handelt. Die Austrittskanäle 14 auf der Saugseite der Schaufel sind im Winkel phi  zur Strömungsrichtung B ausgerichtet.

[0041] Fig. 2c zeigt den Strom des Kühlfluids 21 aus den Austrittskanälen 18 heraus, um die Spitzenkrone 7 herum und entlang der glatten Kontur der Anstreifkante 6. Das Kühlfluid folgt kontinuierlich der Oberfläche der Anstreifkante ohne Bildung von Wirbeln.

   Das Kühlfluid ist somit optimal zur Filmkühlung gerichtet, und die Kühlleistung ist im Vergleich zur Kühlleistung bei herkömmlichen Kühlkonstruktionen erhöht. Das aus dem Austrittskanal 14 herausströmende Kühlfluid 21 kühlt die Anstreifkante in der Nähe der Spitzenkrone 8. Die glatte Kontur der Anstreifkante und die sich ergebende Position der Austrittsöffnung des Kanals 14 bezüglich der Krone 8 bewirken eine verbesserte Kühlung der Krone mittels der Kühlung der nahen Wand. Nach Kühlung der Anstreifkante und Kronen verlässt das Kühlfluid dann die Schaufelspitze und wird mit dem Leckstrom 22 der Gasturbine vermischt.

[0042] Die Anstreifkante leitet, wie oben erwähnt, die Wärmebelastung vom Spitzenteil in die Schaufel und zur Primärkühlungskonstruktion im Hohlraum der Schaufel.

   Der Rippenwirkungsgrad, oder das Leistungsvermögen, Wärme von den Spitzenkronen wegzuleiten, ist eine Funktion der Grundfläche C, die in Fig. 2c durch die gestrichelte Linie angedeutet wird. Die erfindungsgemässe Anstreifkante stellt im Vergleich zu einer Spitze mit rechteckiger Kontur eine vergrösserte Grundfläche bereit. Somit ist der Rippenwirkungsgrad dieser neuen Anstreifkante erhöht.

[0043] Anstatt des einen Austrittskanals auf der Druckseite, wie in Fig. 2a, werden zwei Austrittskanäle 18 gezeigt. Ihre Achsen sind zur Innenfläche 17 der Druckseitenwand 2 in einem grösseren Winkel ausgerichtet. Ähnlich wie die anderen beschriebenen Austrittskanäle weisen sie auch einen ersten zylindrischen Teil und einen zweiten Teil mit teilweise zylindrischer und teilweise konischer Form auf.

   Die Ausbreitungswinkel der Seitenwände der Kanäle, die sich von der Kanalachse zur Spitzenkavität 9 erstrecken, liegen in einem Bereich von 45 bis 65 deg. zur Radialrichtung und von 35 deg. bis 55 deg. zur Strömungsrichtung.

[0044] Bei der Kühlkonstruktion nach der Darstellung in Fig. 2c stimmen die Kühlkanäle in höherem Masse mit der konturierten Spitzenkappe überein. Dadurch ergibt sich eine grössere Konvektionsflache zur Abführung von Wärme von der Spitzenkappe. Des weiteren liegen die Kühlkanäle näher an der konturierten Spitzenkappenfläche. Dadurch ergibt sich ein kürzerer Leitungsweg, der eine bessere Kühlung der nahen Wand gestattet.

   Schliesslich sind die Kühlkanäle in grösserer Übereinstimmung mit dem Heissgasleckstrom ausgerichtet, wodurch sich eine Verringerung des aerodynamischen Mischverlustes ergibt.

[0045] Fig. 3 zeigt zum besseren Verständnis der Form der sich ausbreitenden Austrittskanäle eine Draufsicht der erfindungsgemässen Anstreifkante 6. Sie zeigt die Austrittsöffnungen der Kanäle 14 auf der Saugseite der Schaufel, während die Ausrichtung der Austrittskanäle 16 auf der Druckseite angedeutet wird. Des Weiteren werden die verschiedenen Ausbreitungswinkel zur Radial- und zur Strömungsrichtung angedeutet. Das sich mehrfach ausbreitende Loch wird für die Saugseite verwendet und soll die Kühlluft sowohl zur Saugspitzenkrone als auch entlang der Saugseitenspitzenkrone verteilen.



  Technical area

The invention relates to a blade for a gas turbine, in particular with a squeal edge according to the preamble of patent claim 1.

General state of the art

The blades in gas turbines, which include a foot extending from the top to the top pressure side and suction side, are usually provided with a tip portion. This tip portion protects the blade from damage by contact with the turbine housing. It consists of a tip cap between the radial end of the pressure and suction sidewall and a squealer edge extending radially from the tip cap along the pressure and suction sidewalls of the blade. During operation of the gas turbine, the blades must withstand very high temperatures.

   In order to prevent damage from the high gas temperature, which would shorten the life of the blade, the blades are provided with a cooling structure for cooling fluid, which is to flow through the blade and to cool it by various physical means. Between the pressure side and suction side walls there is a cavity for cooling fluid, typically air discharged from the compressor, which is to flow through the cavity and cool the side walls by convection. However, cooling is particularly critical in the region of the tip portion because the squeal edge is typically small in thickness and prone to high temperature oxidation and other overheating damage.

A typical cooling construction for the tip part is described in EP 816 636.

   A squeal edge extends radially from a tip cap and along the pressure and suction sidewalls of the blade. The Spitzenanstreifkante has straight side walls and on both the pressure and on the suction side tip crowns of rectangular shape. First exit channels for the cooling fluid lead from the cavity radially through the tip cap to the tip cavity, which is enclosed by the side walls of the squealer on its sides. The cooling fluid flows into the tip cavity and via the suction-side tip crown, cools that part by convection and is finally mixed with the leakage flow. Second exit channels lead from the cavity to the pressure side of the blade with their axes aligned at an angle to the radial direction.

   Cooling fluid flows from the cavity to the pressure side and from there via the pressure-side tip crown and through the tip cavity and is finally mixed with the leakage flow. This type of cooling structure has the disadvantage that the cooling fluid in the tip cavity, and in particular along the inner edges of the squeal edge, can generate vortices that reduce cooling performance. The reduced cooling performance means that a larger amount of cooling fluid is required for the cooling.

US 5 183 385 discloses another cooling structure for the tip portion of a gas turbine blade. It comprises a squealer having a rectangular cross-sectional shape that is similar to the construction described above. The cooling channels from the cavity lead radially through the tip cap into the tip cavity.

   Referring to Figs. 7-10 of the disclosure, they have a first straight portion and, in the vicinity of the tip cap surface, a funnel-shaped spreading portion having a rectangular cross section, so that the outer hole portion forms a rectangular trapezoid. The special shape provides an extension of the cooling flow parallel to the squealer edge surface.

US 5,738,491 describes another type of cooling construction for a blade having a square squealer based on convection and conduction cooling. A heat conductor is firmly connected to the squealer extending radially to the tip cap. The cooling fluid flowing radially inward from the tip cap in the cavity then conducts heat conducted to the tip cap.

   In a particular embodiment, the tip cavity is provided with a plurality of ribs which are spaced chordally and extend between the squealer edge on the pressure side and the squealer edge on the suction side.

Presentation of the invention

It is an object of the invention to provide a squealer edge cooling structure for a blade in a gas turbine that provides improved cooling performance around the squealer edge of the blade as compared to prior art cooling structures.

A blade for a gas turbine having a pressure side and a suction side comprises a pressure side wall and suction side wall extending from the foot to the tip of the blade. The tip portion of the blade includes a tip cap and a squealer.

   The tip cap forms the radial end surface of the blade while the squeal edge is intended to protect the blade tip from damage by contact with the gas turbine casing surrounding the blades. The squeal edge extends radially from the pressure side wall to a pressure-side tip crown and from the suction side wall to a suction-side tip crown. It extends along the edge of the tip cap on the pressure and suction sides of the blade. The tip cap and squealer define a tip cavity or peak pocket. In the blade, a cavity is defined by the inner surfaces of the pressure and suction side walls and the inner surface of the tip cap to flow through the cooling fluid.

   Multiple exit channels for cooling fluid are directed from the cavity in the blade to the pressure side of the blade, and a plurality of further exit channels for cooling fluid lead from the cavity through the tip cap to the tip cavity. According to the invention, the squeal edge has a radial cross section with a smooth contour.

The smooth contour of the squealer extends from the crown of the squealer edge on the pressure side in the tip cavity and along the tip cavity to the crown of the squealer on the suction side. The contour includes one or more curved sections or multiple straight sections or one or more curved and straight sections. In particular, the contour of the squeal edge on no sudden changes in direction.

   That is, the difference in the radius of curvature of the plurality of curved portions and the inclination differences between the straight portions are small. The cooling fluid flowing through the discharge channels on the pressure side flows around the pressure-side tip crown and into the tip cavity, along the contoured cavity surface, and on to the suction-side tip crown where it is mixed with the leakage current of the gas turbine.

As a result of the smooth contour extending from the cavity through the tip cap to Spitzenkavität extending outlet channel near the hot gas wall on the suction side of the blade is positioned. The cooling fluid flows near the tip crown on the suction side and thus near the hot gas surface. This allows cooling of the near wall, thereby eliminating the heat load near the top of the suction side.

   In comparison, with a conventional squealer edge, the exit hole of the cooling channel is on the tip cap surface and much further away from the tip crown.

The smooth contour allows a uniform flow of cooling fluid around the tip crowns and within the tip cavity. The cooling fluid flowing over the smooth contour does not experience any sudden changes in the direction of flow, as there are no sharp corners or other sudden changes in inclination. In particular, the smooth contour avoids the formation of vertebrae. The resulting quiet flow of the cooling fluid allows for improved film cooling of the tip cap surface and the squeal edge.

   This results in improved cooling efficiency, which in turn reduces the amount of cooling fluid required.

The heat load transferred from the tip portion to the blade is proportional to the surface of the blade tip portion, also referred to as the hot gas side surface. The inventive smooth contoured squeal edge has a smaller hot gas side surface compared to a conventional squealer with a rectangular contour.

   Therefore, less heat load needs to be transmitted into the blade from the smaller hot gas side surface of the inventive blade, and the required amount of cooling fluid is again reduced.

Finally, the squealer with a smooth contour according to the invention gives a higher tip section fin efficiency, which is the ability to conduct the heat load away from the squealer edge. The squeal edge extends radially away from the blade like ribs and directs the heat load from the tip crowns through the base of the ribs to the primary blade cooling channels or cavity in the blade.

   The squealer with a smooth contour has an increased footprint compared to a squared squealer and therefore dissipates heat more efficiently from the tip crowns.

In a particular embodiment of the invention, the squeal edge in the tip cavity comprises one or more curved parts or one or more straight parts or one or more straight and curved parts.

   The angles of inclination of the straight parts and the radii of curvature of the curved parts are selected so that there are no sudden changes in direction of a cooling fluid flowing over the surface of the tip cavity and around the squealer edge crowns.

In a particular and preferred embodiment of the invention, the contour of the rubbing edge in the tip cavity comprises two curved parts and a straight part between the pressure side tip crown and the center of the tip cavity. The first curved portion extends from the pressure side tip crown to the center of the tip cap, and preferably has a radius of curvature of less than 0.76 mm (0.03 inches).

   The second curved portion extends from the first portion to the center of the tip cap and has a radius of curvature greater than the height of the squeal edge, and preferably greater than 10.2 mm (0.4 inches). The straight part extends from the second curved part to the center of the tip cap and has an inclination angle of 3 ° to the center line of the tip cap. up to 45 deg. on.

In a further preferred embodiment of the invention, the contour of the squeal edge in the tip cavity comprises a second straight portion extending from the center of the tip cap to the inner edge of the suction tip syringe crown.

   This second straight part has an inclination angle of 15 ° to the center line of the tip cap. up to 45 deg. on.

In a further preferred embodiment of the invention, extending from the cavity to the pressure side of the blade outlet channels on a channel axis, which is aligned at an angle to the radial direction. The radial direction is defined as the radially outward direction of the inner surface of the pressure side wall.

   The channel axis is further oriented at an angle to the flow direction, which is the direction along the flow of hot gas from the leading edge to the trailing edge of the blade.

In a particular embodiment, the extending to the pressure side of the blade axis of the outlet channel at an angle to the radial direction, which is in a range of 15 deg. to 65, preferably in a range of 20 deg. to 35, away from the pressure-side tip crown, and at an angle to the flow direction, which is in a range of 30 deg. to 90, preferably in a range of 45 deg. up to 90 deg.

   lies, aligned.

In a further particular embodiment of the invention, extending from the cavity through the tip cap to the tip cavity outlet channels on a channel axis, which is aligned both to the radial direction and to the flow direction at an angle.

In a preferred embodiment, the angle to the radial direction is in a range of 0 deg. to 45, preferably from 20 deg. to 30, and is aligned with the suction-side tip crown. The angle to the flow direction is in a range of 35 °. to 90, preferably 35 deg. to 55.

These particular orientations of the axes of the outlet channels direct the flow of cooling fluid more uniformly to the squealer, so that the cooling fluid flows without major changes in direction of the squealer.

   This provision contributes to further increasing the film cooling efficiency.

In a further embodiment of the invention, the leading to the pressure side outlet channels over the entire length of the outlet channel or at least over the leading end to the outlet opening of the outlet channel to a spreading shape. In the latter case, the outlet channel starting from the cavity of the blade and in a part of the outlet channel length extending a cylindrical shape and starting from the cylindrical part to the outlet opening of the channel has a spreading shape. The cylindrically shaped part of the outlet channel is intended to meter or control the cooling flow through the channel.

In addition, the diffusion of the outlet channel is located either on all sides of the channel axis or only on one side of the channel axis.

   In the latter case, the diffusion is directed to the pressure-side tip crown of the squealer. Then, the outlet channel has a partially circular and partially oval cross-section perpendicular to the cooling fluid flow direction.

In a further embodiment, the same properties apply to the leading from the cavity to Spitzenenkavität exit channels. They comprise a spreading shape directed towards the suction-side tip crown. The propagating shape is again formed either over the entire length of the outlet channel or at least over the end portion of the outlet channel leading to the outlet opening of the channel.

   In the latter case, the outlet channel has a cylindrical shape starting at the cavity of the blade and extending into a part of the outlet channel length, and a spreading form extending from the cylindrical part to the outlet opening of the channel.

In addition, the diffusion proceeds either to all sides of the channel axis or only to one side of the channel axis. In the latter case, the diffusion is directed to the suction-side tip crown of the squealer. Then, the outlet channel has a partially circular and partially oval cross-section perpendicular to the cooling fluid flow direction.

When the cooling fluid approaches the exit port of the exit passage, the diffusion at the exit passage is intended to disperse the cooling fluid, and when it flows to the squint edge it should reduce its exit velocity.

   This provides a further improvement in film cooling efficiency because a larger amount of cooling fluid remains near the squealer edge surface.

In a particular embodiment, the side walls of the exit channels, which extend to the pressure side wall, at an angle in a range of 7 deg. up to 12 deg. aligned to the outlet channel axis and directed to the pressure-side tip crown.

In a further particular embodiment, the side walls of the channel extending from the cavity to the tip cavity are at an angle in a range of 7 °. up to 12 deg.

   aligned to the outlet channel axis and directed to Saugseitenenspitzenkrone.

In a further embodiment, the outlet channels from the cavity to the squealer, so leading to both the pressure side and the tip cavity side walls, which have a propagating shape at an angle to the channel axis and are directed in the flow direction.

This causes a wider flow from the exit channel to the squealer edge surface and provides a further improvement in film cooling.

Brief description of the figures

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<Tb> FIG. 1 <sep> shows a perspective view of a blade with a tip part, which has a squealer edge according to the invention,


  <Tb> FIG. 2a) <sep> shows a cross-sectional view of the tip part along the lines II-II, which shows the squeal edge according to the invention and outlet channels for the cooling fluid according to the invention,


  <Tb> FIG. 2b) <sep> represents the flow direction for the blade and shows the orientation of the outlet channels with respect to the flow direction,


  <Tb> FIG. 2c) <sep> shows the same view as FIG. 2a with outlet channels for the cooling fluid according to a variant of the embodiment of the invention, FIG.


  <Tb> FIG. Figure 3 shows a plan view of the tip portion of the blade with exit holes of the exit channels on the tip cap surface and showing the alignment and diffusion of the exit channels leading through the pressure side of the squealer edge.

Detailed description of the invention

1 shows a perspective view of a blade 1 according to the invention for a gas turbine with a pressure side wall 2, a suction side wall 3 and a tip cap 4 at the radial termination of the blade 1. In the blade 1 is through the inner surfaces of the pressure side wall 2, the suction side wall 3 and the tip cap 4 defines a cavity 5.

   A cooling fluid, usually discharged from the compressor of the gas turbine, circulates in the cavity 5 and cools the pressure and suction sidewalls by convection.

The figure shows in particular the tip portion of the blade with a squeal edge 6, the. protects the blade tip portion from damage upon contact with the gas turbine casing. The squeal edge 6 extends radially from the pressure side wall 2 and suction side wall 3 to the pressure-side tip crown 7 and the suction-side tip crown 8. The squeal edge 6 and the tip cap 4 define a tip cavity, which is also referred to as a tip pocket 9. According to the invention, the squeal edge 6 has a smooth rather than rectangular contour in the tip cavity.

   (For simplicity, the exit channels for the cooling fluid from the cavity in this Fig. 1 are not shown, but shown in the following figures.)

Fig. 2a) shows a radial cross section of the tip portion of a blade 1 with the pressure side wall 2, the suction side wall 3 and the tip cap 4, whose inner surfaces define the cavity 5. The figure shows in particular the smooth contour of the squeal edge 6. Starting at the pressure-side tip crown 7, the contour comprises a first curved part 10, a second curved part 11 and a flat part 12.

The first curved part 10 is a short part having a radius of curvature of preferably less than 0.76 mm (0.03 inches).

   The first curved part 10 is adjoined by the second curved part 11, whose radius of curvature is preferably greater than 10.2 mm (0.4 inches) and not smaller than the height of the squealer edge. The flat part 12 is at an angle theta ¾ in a range of 3 deg. up to 15 deg. inclined to the center line A of the tip cap. A second flat part 13 extends from the center of the tip cap to the inside edge of the suction-side tip crown 8.

   The second flat part 13 is at an angle theta ¾ in a range of 15 deg. up to 45 deg. aligned with the center line A of the tip cap.

In a variant of the rubbing edge shown in Fig. 2a), the crown of the squealer, in particular the pressure side tip crowns, rounded edges, which allow a quieter flow of the cooling fluid to the tip crowns in the Spitzenkavität and out.

In Fig. 2a), a first outlet channel 14 extends from the cavity 5 through the tip cap 4 to the tip cavity 9 in the vicinity of the Saugseitenenspitzenkrone 8. Its axis is aligned at a small angle delta to the radial direction, wherein the radial direction along the direction is parallel to the inner surface 15 of the suction side wall 3 extending dashed line.

   The angle delta is in a range of 0 deg. up to 45 deg. directed to Saugseitenensitz crown. With regard to the film cooling efficiency, a larger angle delta gives better results. However, a large angle would require that the exit channel be located farther from the suction sidewall, which would reduce the benefits of near wall cooling. Thus, an angle delta is in a range of 20 deg. up to 30 deg. a preferred compromise.

According to Fig. 2b, the axis of the outlet channel 14 to the flow direction, which is the direction of the hot gas flow from the front to the trailing edge of the blade, further aligned at an angle phi.

   The axis is at an angle phi in a range of 35 deg. up to 90 deg. aligned to the flow direction and directed to the blade trailing edge.

The outlet channel 14 comprises a first part 14 with a cylindrical shape and a second part 14 ¾ ¾ with a cylindrical shape in a first half and a propagating shape in the second half. The sidewall of the second part is of propagating shape and extends at an angle to the exit channel axis to the suction-side tip crown 8. The angle is in a range of 7 to 12. The angle is radial.

   The outlet channel can also be propagating at an angle to the flow direction and directed to the trailing edge of the blade, where this propagation angle is also in a range of 7 °. up to 12 deg. lies.

A second outlet channel 16 extends from the cavity 5 through the pressure side wall 2 to the outer wall of the squeal edge 6. Its axis is aligned at an angle alpha to the radial direction or the inner surface 17 of the pressure side wall 2. It comprises a first 16 ¾ part with a cylindrical shape that meters the flow of cooling fluid through the channel and a second part 16 ¾ with a partially spreading shape. The second half 16 ¾ ¾ has a side wall extending at an angle beta to the channel axis to the tip cavity.

   The angle alpha is in a range of 15 deg. to 65, and the angle beta is in a range of 7 deg. until 12  . In addition, the axis of the channel 16 at an angle omega in a range of 45 deg. up to 90 deg. be aligned to the flow direction, as shown in Fig. 2b. The smooth contour of the squealer edge 6 and the shape of the exit channels 14, 16 allow for improved film cooling of the squealer edge 6 and tip cap 4 as compared to the prior art squealer edges. The propagating shape of the exit channels 14 and 16 reduces the exit velocity of the cooling fluid flow and allows the cooling fluid to more easily follow the contour of the squealer edge. In addition, the smooth contour prevents the formation of vortices that would otherwise form near sharp corners.

   Thus, the cooling fluid is optimally directed to film cooling the squealer edge surface.

2b shows a blade with some of the exit channels 14 and 16 for the cooling fluid and in particular the orientation of the channel axes with respect to the flow direction. The outlet channels 16 on the pressure side of the blade 1 are aligned at an angle omega to the flow direction B, which is the direction of the hot gas flow from the leading edge to the trailing edge of the blade. The outlet channels 14 on the suction side of the blade are aligned at an angle phi to the flow direction B.

Figure 2c shows the flow of cooling fluid 21 out of the exit channels 18, around the tip crown 7, and along the smooth contour of the squealer edge 6. The cooling fluid continuously follows the surface of the squealer edge without the formation of vortices.

   The cooling fluid is thus optimally directed to the film cooling, and the cooling capacity is increased compared to the cooling capacity in conventional cooling structures. The cooling fluid 21 flowing out of the exit channel 14 cools the squealer near the tip crown 8. The smooth contours of the squealer and the resulting position of the channel 14 exit with respect to the crown 8 provide enhanced cooling of the crown by cooling the near wall. After cooling the squealer and crowns, the cooling fluid then leaves the blade tip and is mixed with the leakage flow 22 of the gas turbine.

The squealer guides, as mentioned above, the heat load from the tip portion into the blade and the primary cooling structure in the cavity of the blade.

   The fin efficiency, or the ability to conduct heat away from the tip crowns, is a function of the footprint C, indicated by the dashed line in FIG. 2c. The squealer edge according to the invention provides an enlarged base area in comparison with a tip with a rectangular contour. Thus, the fin efficiency of this new squealer is increased.

Instead of the one outlet channel on the pressure side, as in Fig. 2a, two outlet channels 18 are shown. Their axes are aligned with the inner surface 17 of the pressure side wall 2 at a larger angle. Similar to the other outlet channels described, they also have a first cylindrical part and a second part with a partially cylindrical and partially conical shape.

   The propagation angles of the sidewalls of the channels extending from the channel axis to the tip cavity 9 are in a range of 45 to 65 degrees. to the radial direction and of 35 deg. up to 55 deg. to the flow direction.

In the cooling structure according to the illustration in Fig. 2c, the cooling channels agree to a greater extent with the contoured tip cap. This results in a larger convection surface for dissipating heat from the tip cap. Furthermore, the cooling channels are closer to the contoured tip cap surface. This results in a shorter line path, which allows better cooling of the near wall.

   Finally, the cooling channels are aligned in greater accordance with the hot gas leakage, resulting in a reduction of the aerodynamic mixing loss.

Fig. 3 shows a better view of the shape of the propagating outlet channels a plan view of the inventive squeal edge 6. It shows the outlet openings of the channels 14 on the suction side of the blade, while the orientation of the outlet channels 16 is indicated on the pressure side. Furthermore, the different propagation angles to the radial and to the flow direction are indicated. The multiply propagating hole is used for the suction side and is intended to distribute the cooling air to both the Saugspitzenkrone and along the Saugseitenspitzenkrone.


    

Claims (12)

1. Schaufel (1) für eine Gasturbine mit einer Druckseitenwand (2), einer Saugseitenwand (3), einer Spitzenkappe (4) und einer Anstreifkante (6) und weiterhin einem Hohlraum (5) für die Strömung von Kühlfluid, der durch die Innenfläche (17) der Druckseitenwand (2), die Innenfläche (15) der Saugseitenwand (3) und die Spitzenkappe (4) definiert ist, und wobei sich die Anstreifkante (6) radial von der Druckseitenwand (2) weg zu einer druckseitigen Spitzenkrone (7) und von der Saugseitenwand (3) zu einer saugseitigen Spitzenkrone (8) der Schaufel (1) erstreckt, die Spitzenkappe (4) und die Anstreifkante (6) weiterhin eine Spitzenkavität (9) definieren und die Schaufel (1) mehrere Austrittskanäle (16), die sich vom Hohlraum (5) zur Anstreifkante (6) auf der Druckseite der Schaufel (1) erstrecken, und weiterhin mehrere Austrittskanäle (14), die vom Hohlraum (5) zur Spitzenkavität (9) A blade (1) for a gas turbine with a pressure side wall (2), a suction side wall (3), a tip cap (4) and a squealer edge (6) and further a cavity (5) for the flow of cooling fluid through the inner surface (17) of the pressure side wall (2), the inner surface (15) of the suction side wall (3) and the tip cap (4) is defined, and wherein the squeal edge (6) radially away from the pressure side wall (2) away to a pressure side tip crown (7 ) and from the suction side wall (3) to a suction side tip crown (8) of the blade (1), the tip cap (4) and the squealer edge (6) further define a tip cavity (9) and the blade (1) has a plurality of exit channels (16 ) extending from the cavity (5) to the squealer edge (6) on the pressure side of the blade (1) and further comprising a plurality of exit channels (14) extending from the cavity (5) to the tip cavity (9). in der Nähe der Saugseite der Schaufel (1) führen, damit Kühlfluid zur Kühlung der Anstreifkante (6) hindurchströmen kann, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstreifkante (6) einen radialen Querschnitt mit einer glatten Kontur aufweist.  in the vicinity of the suction side of the blade (1), so that cooling fluid for cooling the squeal edge (6) can flow through, has, characterized in that the squeal edge (6) has a radial cross-section with a smooth contour. 2. Schaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Anstreifkante (6) in der Spitzenkavität (9) einen oder mehrere gerade Teile (12, 13) oder einen oder mehrere gekrümmte Teile (10, 11) oder, sowohl einen oder mehrere gerade Teile (12, 13) als auch einen oder mehrere gekrümmte Teile (10, 11) umfasst. 2. blade (1) according to claim 1, characterized in that the contour of the squeal edge (6) in the tip cavity (9) one or more straight parts (12, 13) or one or more curved parts (10, 11) or, both one or more straight parts (12, 13) and one or more curved parts (10, 11). 3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die glatte Kontur der Anstreifkante (6) einen sich von der druckseitigen Spitzenkrone (7) zur Spitzenkavität (9) erstreckenden ersten gekrümmten Teil (10), der einen Krümmungsradius von unter 0.76 mm (0.03 Zoll) aufweist, und einen sich vom ersten gekrümmten Teil (10) zur Mitte der Spitzenkavität (9) erstreckenden zweiten gekrümmten Teil (11), dessen Krümmungsradius mindestens der Höhe der Anstreifkante entspricht und vorzugsweise grösser als 10.2 mm (0.4 Zoll) ist, aufweist, und die Anstreifkante (6) einen sich vom zweiten gekrümmten Teil (11) zur Mitte der Spitzenkavität (9) erstreckenden geraden Teil (12) mit einem Neigungswinkel (0) in einem Bereich von 3 deg. bis 45 deg. zur Mittellinie (A) der Spitzenkappe (4) umfasst. 3. A blade according to claim 2, characterized in that the smooth contour of the squealer edge (6) extending from the pressure-side tip crown (7) to the tip cavity (9) extending first curved portion (10) having a radius of curvature of less than 0.76 mm (0.03 Inch), and a second curved part (11) extending from the first curved part (10) to the center of the tip cavity (9), the radius of curvature of which is at least equal to the squeal edge height and is preferably greater than 10.2 mm (0.4 inches) , and the squealer edge (6) has a straight part (12) extending from the second curved part (11) to the center of the tip cavity (9) with an inclination angle (0) in a range of 3 °. up to 45 deg. to the center line (A) of the tip cap (4). 4. Schaufel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Anstreifkante (6) einen sich von der Mitte der Spitzenkavität (9) zur saugseitigen Spitzenkrone (8) erstreckenden zweiten geraden Teil (13) mit einem Neigungswinkel (theta ¾) zur Mittellinie der Spitzenkappe in einem Bereich von 15 deg. bis 45 deg. umfasst. 4. blade (1) according to claim 3, characterized in that the contour of the squealer (6) extending from the center of the tip cavity (9) to the suction-side tip crown (8) extending second straight part (13) with an inclination angle (theta ¾ ) to the centerline of the tip cap in a range of 15 deg. up to 45 deg. includes. 5. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren vom Hohlraum (5) zur Anstreifkante (6) auf der Druckseite der Schaufel (1) führenden Austrittskanäle (16) jeweils eine Kanalachse aufweisen, die in einem Winkel (alpha ) zur Radialrichtung. ausgerichtet und von der druckseitigen Spitzenkrone (7) weg gerichtet ist und in einem Winkel (omega ) zur Strömungsrichtung (B) liegt. 5. blade (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the plurality of the cavity (5) to the squealer (6) on the pressure side of the blade (1) leading outlet channels (16) each have a channel axis which at an angle (alpha) to the radial direction. directed and directed away from the pressure-side tip crown (7) and at an angle (omega) to the flow direction (B). 6. Schaufel (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (alpha ) in einem Bereich von 15 deg. bis 65 , vorzugsweise in einem Bereich von 20 deg. bis 35 , liegt und der Winkel (omega ) in einem Bereich von 30 deg. bis 90 , vorzugsweise in einem Bereich von 45 deg. bis 90 , liegt. Shovel (1) according to claim 5, characterized in that the angle (alpha) is in a range of 15 °. to 65, preferably in a range of 20 deg. to 35, and the angle (omega) is in a range of 30 deg. to 90, preferably in a range of 45 deg. until 90, lies. 7. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren vom Hohlraum (5) zur Spitzenkavität (9) führenden Austrittskanäle (14) jeweils eine Kanalachse aufweisen, die in einem Winkel (delta ) zur Radialrichtung ausgerichtet und zur saugseitigen Spitzenkrone (8) gerichtet ist und in einem Winkel (phi ) zur Strömungsrichtung (B) liegt. 7. blade (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the plurality of the cavity (5) leading to the tip cavity (9) leading outlet channels (14) each have a channel axis which is aligned at an angle (delta) to the radial direction and the suction-side tip crown (8) is directed and at an angle (phi) to the flow direction (B). 8. Schaufel (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (delta ) in einem Bereich von 0 deg. bis 45 , vorzugsweise in einem Bereich von 20 deg. bis 30 , und der Winkel (phi ) in einem Bereich von 35 deg. bis 90 , vorzugsweise in einem Bereich von 35 deg. bis 55 , liegt. 8. A blade (1) according to claim 7, characterized in that the angle (delta) in a range of 0 deg. to 45, preferably in a range of 20 deg. to 30, and the angle (phi) in a range of 35 deg. to 90, preferably in a range of 35 deg. to 55, lies. 9. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Druckseite der Schaufel (1) führenden Austrittskanäle (16) über ihre gesamte Länge oder über einen Teil ihrer Länge eine sich ausbreitende Form oder eine teilweise sich ausbreitende Form aufweisen und die vom Hohlraum (5) zur Spitzenkavität (9) führenden Austrittskanäle (14) über ihre gesamte Länge oder über einen Teil ihrer Länge eine sich ausbreitende Form oder eine teilweise sich ausbreitende Form aufweisen. 9. blade (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressure side of the blade (1) leading outlet channels (16) over its entire length or over part of its length have a spreading shape or a partially propagating shape and the exit channels (14) leading from the cavity (5) to the tip cavity (9) have a spreading shape or a partially spreading shape over their entire length or over part of their length. 10. Schaufel (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Druckseite der Schaufel (1) führenden Austrittskanäle (16) und die vom Hohlraum (5) zur Spitzenkavität (9) führenden Austrittskanäle (14) jeweils einen ersten Teil mit einer zylindrischen Form und einen zweiten Teil mit einer sich ausbreitenden Form aufweisen. 10. blade (1) according to claim 9, characterized in that the pressure side of the blade (1) leading outlet channels (16) and from the cavity (5) to the tip cavity (9) leading outlet channels (14) each having a first part with a cylindrical shape and have a second part with a spreading shape. 11. Schaufel (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die sich vom Hohlraum (5) zur Druckseite der Schaufel (1) erstreckenden Austrittskanäle (16) jeweils eine Seitenwand aufweisen, die in einem Winkel (beta ) in einem Bereich von 7 deg. bis 12 deg. zur Achse des Austrittskanals (16) ausgerichtet und zur druckseitigen Spitzenkrone (7) gerichtet ist, und die vom Hohlraum (5) zur Spitzenkavität (9) führenden Austrittskanäle (14) jeweils eine Seitenwand aufweisen, die in einem Winkel (omega ) in einem Bereich von 7 deg. bis 12 deg. zur Achse des Austrittskanals (14) ausgerichtet und zur saugseitigen Spitzenkrone (8) gerichtet ist. 11. blade (1) according to claim 9 or 10, characterized in that the cavity (5) to the pressure side of the blade (1) extending outlet channels (16) each have a side wall which at an angle (beta) in a range from 7 deg. up to 12 deg. aligned with the axis of the outlet channel (16) and directed towards the pressure-side tip crown (7), and the outlet channels (14) leading from the cavity (5) to the tip cavity (9) each have a side wall which is at an angle (omega) in an area from 7 deg. up to 12 deg. aligned with the axis of the outlet channel (14) and directed to the suction-side tip crown (8). 12. Schaufel (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Hohlraum (5) zur Spitzenkavität (9) führenden Austrittskanäle (14) und die sich vom Hohlraum (5) zur Druckseite der Schaufel (1) erstreckenden Austrittskanäle (16) jeweils eine Seitenwand aufweisen, die in einem Winkel in einem Bereich von 7 deg. bis 12 deg. zu ihrer Kanalachse ausgerichtet und zur Strömungsrichtung gerichtet ist. 12. blade (1) according to claim 11, characterized in that the cavity (5) leading to the tip cavity (9) outlet channels (14) and the cavity (5) to the pressure side of the blade (1) extending outlet channels (16) each having a side wall which extends at an angle in a range of 7 deg. up to 12 deg. aligned to its channel axis and directed to the flow direction.