EP1223308A2 - Kühlung einer Komponente einer Strömungsmaschine - Google Patents

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EP1223308A2
EP1223308A2 EP01129169A EP01129169A EP1223308A2 EP 1223308 A2 EP1223308 A2 EP 1223308A2 EP 01129169 A EP01129169 A EP 01129169A EP 01129169 A EP01129169 A EP 01129169A EP 1223308 A2 EP1223308 A2 EP 1223308A2
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EP
European Patent Office
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channel
flow
cooling
section
deflection
Prior art date
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EP01129169A
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English (en)
French (fr)
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EP1223308B1 (de
EP1223308A3 (de
Inventor
Sacha Parneix
Martin Dr. Schnieder
Jens Prof. Dr. Von Wolfersdorf
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • 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
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling

Definitions

  • the present invention relates to a component a turbomachine, in particular a turbine blade, which can be flowed through by a cooling medium Cooling channel with at least one through the wall of the cooling channel formed deflection through which the flow of the cooling medium from a first Canal section into a downstream second Channel section is deflected, being in the area of Deflecting at least one flow guiding element in the Cooling channel is arranged through which the cooling channel in the diversion into an inner and an outer Flow channel is divided.
  • a separate cooling duct 2a is additionally provided, via which part of the cooling air is guided to the front and tip of the blade in order to exit there via corresponding openings 4.
  • the flow pattern of the cooling air within the airfoil is indicated by the arrows.
  • 180 ° deflections 5 are required in the vicinity of the blade tip or the blade root, which connect the different sections of the cooling air duct 2 to one another.
  • complicated flow patterns with dead water areas develop, which lead to large pressure losses over the length of the cooling air duct 2 and thus require an increased pumping capacity for the transport of the cooling air.
  • the task is performed using the component Claim 1 solved.
  • Advantageous configurations the component are the subject of the subclaims.
  • the proposed solution is therefore a Reduction of pressure losses in the redirection simultaneous homogenization of the heat transfer between the cooling medium and the wall material of the Component reached.
  • the present design is regardless of the further configuration of the Component, in particular regardless of the rib configuration in the first and second channel section, in Hereinafter also referred to as the inlet and outlet duct, as well as possible curves on the outer Edge areas of the deflection. Such details, that with a variety of gas turbine blades occur do not affect the beneficial Effect of the present invention.
  • the drilling leads to the dissolution of the dead water areas and thus contributes to a homogenization of the heat transfer. Furthermore, these bores can bring about the desired side effect that dust particles in the cooling medium are blown out through the bores. To reinforce this side effect, the longitudinal axes of the bores are aligned approximately in the direction of the local streamlines of the flow of the cooling medium in the cooling channel. Due to the low adjacent flow velocity, the additional bores only make a small contribution to the global pressure loss via the cooling channel, which, due to the advantageous effect mentioned above, is hardly noticeable to minimize the pressure loss.
  • the thickness of the partition wall increases in the region of the deflection, in order to reduce the corresponding constriction within the region due to this increase in thickness inner flow channel.
  • the shape of the contour of this partition wall, which separates the outlet duct from the inlet duct, can be different in order to bring about the effect mentioned.
  • the flow guide element is preferably such trained and arranged within the deflection, that about 25 to 45% of the mass flow from the Inlet channel into the flow entering the deflection the area within the flow guide element, i.e. into the inner flow channel, enters and the rest outside the baffle, i.e. in the outer flow channel, flows.
  • the mass flow ratio corresponds to that Entry cross-sectional area ratio of the outer and inner flow channel.
  • the area ratio on The outlet duct should be roughly the same as the inlet duct correspond, i.e. it shouldn't be more than 20% deviate from this ratio.
  • the round baffle vary in thickness, or even again with Guide devices should be provided.
  • FIG. 3 shows a schematic representation Embodiment for the design of the cooling channel deflection 5 the component of a turbomachine according to the present invention.
  • the flow direction of the cooling medium is in turn through in this figure thick arrows indicated.
  • the cooling medium overflows a first channel section 9 in the deflection 5 and thence to a second canal section 10.
  • the two Channel sections 9 and 10 are used in this example separated from each other by a partition 11, the Is part of the cooling channel wall 12.
  • Such one Cooling channel can be in a usual gas turbine blade, as shown for example in FIG. 1, be arranged.
  • the deflection baffle is designed such that approximately 25 to 45% of the mass flow of the flow entering the deflection 5 from the inlet duct 9 flows into the area of the inner flow channel 13 and the rest flows into the area of the outer flow channel 14.
  • the mass flow ratio corresponds to the inlet area ratio A '/ B'.
  • the area ratio at the outlet duct A "/ B" in this example corresponds to the area ratio at the inlet duct and should not deviate more than ⁇ 20% from A '/ B'.
  • the holes 15 depending on location with its axis of drilling approximately in Direction of the streamlines of the flow of the cooling medium aligned so that - as an additional side effect - the discharge of small particles or dust in the Cooling air can take place via the bores 15.
  • FIG. 5 shows another preferred Embodiment of the invention shown in Figure 3.
  • the flow guide element 8 has a number of bores 16, which contribute to dust and Dirt accumulation in the outer 14 or inner 13 Avoid flow channel.
  • Figure 6 shows another Possibility to achieve this effect.
  • the Flow guide element is in several sub-elements, 8a and 8b, divided between which a gap is trained, which has the same effect as the bores 16 in FIG. 5.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbinenschaufel, die einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal (9, 10) mit zumindest einer durch die Wandung (11, 12) des Kühlkanals gebildeten Umlenkung aufweist, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt (9) in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt (10) umgelenkt wird. Im Bereich der Umlenkung ist zumindest ein Strömungsleitelement (8) im Kühlkanal angeordnet, durch das der Kühlkanal in einen inneren (13) und einen äußeren Strömungskanal (14) aufgeteilt wird. Der innere Strömungskanal (13) weist bei der vorliegenden Komponente eine Einschnürung im Strömungsquerschnitt auf. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Kühlkanalumlenkung wird der durch die Umlenkung hervorgerufene Druckverlust minimiert und gleichzeitig ein deutlich homogenerer Wärmeübergang auf das Kühlmedium ohne lokale Temperaturspitzen erreicht. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbinenschaufel, die einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal mit zumindest einer durch die Wandung des Kühlkanals gebildeten Umlenkung aufweist, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt umgelenkt wird, wobei im Bereich der Umlenkung zumindest ein Strömungsleitelement im Kühlkanal angeordnet ist, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird.
Auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der Gasturbinen, werden zur Steigerung der Leistung zunehmend höhere Turbineneintrittstemperaturen angestrebt und verwirklicht. Die höheren Temperaturen werden einerseits durch Fortschritte in der Werkstofftechnik in Richtung höherer zulässiger Materialtemperaturen und andererseits durch eine verbesserte Kühlung der Komponenten erreicht, die den hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Gerade im Bereich der Gasturbinen besteht hierbei die Notwendigkeit, die Kühlung für neue Generationen von Gasturbinenschaufeln weiter zu verbessern.
Eine bekannte Kühlungsmethode für die Kühlung von Gasturbinenschaufeln ist die interne, konvektive Kühlung. Bei dieser Kühltechnik wird Kühlluft durch die Rotorwelle in den Schaufelfuß eingeleitet und von dort in innerhalb des Schaufelblattes verlaufenden Kühlkanälen geführt, in denen sie die Wärme der Turbinenschaufel aufnimmt. Die erwärmte Kühlluft wird schließlich durch geeignet angeordnete Bohrungen und Schlitze aus der Turbinenschaufel ausgeblasen.
   Ein beispielhafter Verlauf der Kühlluftkanäle in einer Gasturbinenschaufel (nach: Thalin et al. 1982: NASA CR 1656087) ist in Figur 1 dargestellt. Die Kühlluft tritt über den Schaufelfuß 1 in die Turbinenschaufel ein, wird über einen Kühlkanal 2 bis zur Hinterseite der Schaufel geführt und schließlich über entsprechende Öffnungsschlitze 3 ausgeblasen. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist zusätzlich ein gesonderter Kühlkanal 2a vorgesehen, über den ein Teil der Kühlluft an die Vorderseite und Spitze der Schaufel geführt wird, um dort über entsprechende Öffnungen 4 auszutreten. Der Strömungsverlauf der Kühlluft innerhalb des Schaufelblattes ist durch die Pfeile angedeutet.
   Bei einem typischen Verlauf des Kühlluftkanals sind 180°-Umlenkungen 5 in der Nähe der Schaufelspitze oder des Schaufelfußes erforderlich, die die unterschiedlichen Abschnitte des Kühlluftkanals 2 miteinander verbinden. Im Bereich dieser Umlenkungen 5 entwickeln sich jedoch komplizierte Strömungsmuster mit Totwassergebieten, die zu großen Druckverlusten über die Länge des Kühlluftkanals 2 führen und somit eine erhöhte Pumpleistung für den Transport der Kühlluft erfordern. Weiterhin entstehen in diesen Bereichen Gebiete geringen Wärmeübergangs zur Turbinenschaufel, die zu lokalen Temperaturspitzen auf der Außenhaut der Turbinenschaufel führen.
   Figur 2 zeigt hierzu schematisch einen Ausschnitt aus einem Kühlluftkanal 2 mit einer Umlenkung 5, in dem die Rezirkulationsgebiete, d.h. die Gebiete, die den hohen Druckverlust generieren, mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet sind. Der Strömungsverlauf des Kühlmediums ist wiederum über die Pfeile dargestellt. Neben den Druckverlust sind die Rezirkulationsgebiete nur gering durchströmt, weshalb hier Gebiete geringen Wärmeübergangs vorliegen.
Stand der Technik
Bei den bisher bekannten technischen Entwicklungen konnte zum Teil der Druckverlust über die Länge des Kühlkanals durch geeignete Anordnung von strömungsleitendenElementen, wie sie beispielsweise in der Figur 1 zu erkennen sind, verringert werden.
   Aus der US 5,073,086 ist hierbei eine Anordnung bekannt, bei der im Bereich der Umlenkung ein Strömungsleitelement im Kühlkanal angeordnet ist, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung vollständig in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird. Durch diese vollständige Aufteilung der Strömung kann zwar der durch die Umlenkung hervorgerufene Druckverlust verringert werden, eine deutlich homogenere Abführung der Wärme aus dem Bereich der Umlenkung wird dadurch jedoch nicht erreicht. Vielmehr entstehen neue Gebiete geringen Wärmeübergangs im Bereich des als Umlenkleitblech ausgebildeten Strömungsleitelementes.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Komponente einer Strömungsmaschine mit verbesserter Kühlung anzugeben, bei der im Bereich der Umlenkungen des Kühlkanals der Druckverlust verringert und ein homogener Wärmeübergang erreicht wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Komponente gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Komponente sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorgeschlagene Komponente der Strömungsmaschine, in der Regel eine Turbinenschaufel, weist in bekannter Weise einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal mit zumindest einer durch die Wandung des Kühlkanals gebildeten Umlenkung auf, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt umgelenkt wird. Im Bereich dieser Umlenkung ist auch bei der vorliegenden Komponente ein Strömungsleitelement, beispielsweise in Form eines Umlenkleitbleches, im Kühlkanal angeordnet, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung vollständig in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird. Die vorliegende Komponente zeichnet sich dadurch aus, dass der innere Strömungskanal eine Einschnürung im Strömungsquerschnitt aufweist. Durch diese Einschnürung, d.h. eine Verengung und anschließende erneute Aufweitung des Strömungsquerschnittes, tritt ein Düseneffekt im inneren Strömungskanal auf, der den Wärmeübergang durch die Beschleunigung der Strömung in vorteilhafter Weise erhöht und gleichzeitig homogenisiert. Die Einschnürung wird vorzugsweise durch eine geeignete Formgebung bzw. Konturierung des Strömungsleitelementes und/oder der Wandung des Kühlkanals im Bereich der Umlenkung gebildet.
Durch die vorgeschlagene Lösung wird somit eine Verringerung der Druckverluste in der Umlenkung bei gleichzeitiger Homogenisierung des Wärmeübergangs zwischen dem Kühlmedium und dem Wandmaterial der Komponente erreicht. Die vorliegende Ausgestaltung ist unabhängig von der weiteren Konfiguration der Komponente, insbesondere unabhängig von der Rippenkonfiguration im ersten und zweiten Kanalabschnitt, im Folgenden auch als Ein- und Auslasskanal bezeichnet, sowie von möglichen Rundungen an den äußeren Randbereichen der Umlenkung. Derartige Einzelheiten, die bei einer Vielzahl von Gasturbinenschaufeln auftreten, haben keinen Einfluss auf die vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfindung.
In einer sehr vorteilhaften weiteren Ausbildung der Komponente sind im äußeren Strömungskanal der Umlenkung zusätzlich ein oder mehrere Auslassbohrungen für das Kühlmedium in der Wandung des Kühlkanals ausgebildet, über die ein geringer Teil des Kühlmediums aus dem Kühlkanal austreten kann. Diese so genannte Kühlluftausblasung - im Falle von Luft als Kühlmedium - trägt in Verbindung mit den bereits erläuterten Merkmalen nochmals zu einer deutlichen Verbesserung des Wärmeübergangs bei, so dass eine Komponente erhalten wird, bei der einerseits keine lokalen Temperaturspitzen im Bereich der Umlenkung mehr auftreten und andererseits hohe Mittelwerte des Wärmeüberganges auf das Kühlmedium erreicht werden. Durch die Anordnung dieser Auslassbohrungen in Eckbereichen der Umlenkung, in denen ansonsten Totwassergebiete auftreten, wird gerade dort ein deutlich verbesserter Wärmeübergang erreicht. Die Bohrungen führen zum Auflösen der Totwassergebiete und tragen somit zu einer Homogenisierung des Wärmeüberganges bei. Weiterhin können diese Bohrungen den gewünschten Nebeneffekt herbeiführen, dass Staubpartikel im Kühlmedium durch die Bohrungen ausgeblasen werden. Zur Verstärkung dieses Nebeneffektes werden die Längsachsen der Bohrungen in etwa in Richtung der lokalen Stromlinien der Strömung des Kühlmediums im Kühlkanal ausgerichtet.
   Aufgrund der geringen angrenzenden Strömungsgeschwindigkeit liefern die zusätzlichen Bohrungen nur einen geringen Beitrag zum globalen Druckverlust über den Kühlkanal, der aufgrund der vorteilhaften Wirkung oben angeführten Merkmale zur Minimierung des Druckverlustes jedoch kaum spürbar wird.
Die für die bestmögliche Funktion der vorliegenden Erfindung erforderliche Einschnürung des Strömungsquerschnittes im inneren Strömungskanal der Umlenkung, d.h. in dem Strömungskanal, der den kürzeren Strömungsweg in der Umlenkung aufweist, kann einerseits durch entsprechende Gestaltung des Strömungsleitelementes, beispielsweise durch eine Verdickung, und andererseits durch eine entsprechende Ausformung der dem Strömungsleitelement im inneren Strömungskanal gegenüberliegenden Kanalwandung erreicht werden. Selbstverständlich kann die Einschnürung auch durch eine entsprechende Ausformung beider Elemente oder der weiteren den inneren Strömungskanal umgebenden Wandbereiche erreicht werden.
   In einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei der der erste und zweite Kanalabschnitt annähernd parallel beidseitig einer Trennwand verlaufen, welche eine Seite der Wandung des Kühlkanals bildet, nimmt die Dicke der Trennwand im Bereich der Umlenkung zu, um durch diese Zunahme der Dicke die entsprechende Einschnürung innerhalb des inneren Strömungskanals hervorzurufen. Die Form der Konturierung dieser Trennwand, die den Auslasskanal vom Einlasskanal trennt, kann unterschiedlich ausfallen, um den genannten Effekt herbeizuführen.
Das Strömungsleitelement, das den Kühlkanal in der Umlenkung in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufteilt, ist in der Regel als Strömungsleitblech ausgebildet. Vorzugsweise erstreckt sich dieses Strömungsleitelement über eine gewisse Distanz bis in den zweiten Kanalabschnitt bzw. Auslasskanal hinein. Die Distanz, um den das Strömungsleitelement in den zweiten Kanalabschnitt hineinreicht, entspricht vorzugsweise in etwa dem Abstand zwischen dem Strömungsleitelement und der im inneren Strömungskanal gegenüberliegenden Wandung des Kühlkanals am Einlass oder Auslass der Umlenkung. Durch die Verlängerung des Strömungsleitelementes wird eine Verlängerung der Aufteilung des Kühlkanals in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal erreicht. Am Austritt des inneren Strömungskanals kann eine leichte Einschnürung oder Aufweitung des Kanalquerschnitts vorgesehen sein, so dass die Wand des Strömungsleitelementes in diesem Bereich nicht unbedingt parallel zur Kanalwand des zweiten Kanalabschnittes bzw. Auslasskanals verlaufen muss.
Das Strömungsleitelement ist vorzugsweise derart ausgebildet und innerhalb der Umlenkung angeordnet, dass ca. 25 bis 45% des Massenstroms der aus dem Einlasskanal in die Umlenkung eintretenden Strömung in den Bereich innerhalb des Strömungsleitelementes, d.h. in den inneren Strömungskanal, eintritt und der Rest ausserhalb des Leitbleches, d.h. im äußeren Strömungskanal, fließt. Das Massenstromverhältnis entspricht dem Eintrittsquerschnittsflächenverhältnis des äußeren und inneren Strömungskanals. Das Flächenverhältnis am Auslasskanal sollte in etwa demjenigen des Einlasskanals entsprechen, d.h. es sollte nicht um mehr als 20% von diesem Verhältnis abweichen. Selbstverständlich kann das in der Regel rund ausgeformte Umlenkleitblech in der Dicke variieren, oder auch selbst wieder mit Leitvorrichtungen versehen sein.
In einer weiteren Vorzugsvariante der Erfindung weist das Strömungsleitelement Mittel auf, welche eine Ansammlung von Staub oder Schmutz in einem der Strömungskanäle verhindern. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Strömungsleitelement mit Durchtrittsöffnungen versehen oder sonst auf geeignete Weise ausgestaltet wird.
Durch die Summe der in den Weiterbildungen angeführten Maßnahmen bzw. Merkmale, d.h. durch die Optimierung der Geometrie und durch die Kühlluftausblasung an kritischen Stellen, wird eine optimierte Kühlung im Bereich des Umlenkelementes bei minimiertem Druckverlust erreicht. Die einzelnen Maßnahmen sind hierbei unabhängig von der konkreten Geometrie der Komponente und des Kühlkanals und lassen sich beispielsweise auch bei Kühlkanalumlenkungen einsetzen, deren Umlenkwinkel ungleich 180° beträgt. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung weder auf Turbinenschaufeln noch auf gasgekühlte Komponenten beschränkt, sondern lässt sich insbesondere auch bei Komponenten mit anderen strömenden Kühlmedien einsetzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1
einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel mit Kühlkanalumlenkungen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2
eine schematische Darstellung der Ablösegebiete innerhalb einer Kühlkanalumlenkung;
Fig. 3
schematisch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kühlkanalumlenkung;
Fig. 4
ein Beispiel für eine Anordnung zusätzlicher Auslassbohrungen in der Kühlkanalumlenkung;
Fig. 5
die in Figur 3 dargestellte Konfiguration, mit Massnahmen zur Vermeidung einseitigen von Staub- und Schmutzansammlungen;
Fig. 6
Eine Ausgestaltung des Strömungsleitelementes zur Vermeidung von einseitigen Staub- und Schmutzansammlungen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Figuren 1 und 2 wurden bereits in Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erläutert, um die dort auftretende Problematik des Druckverlustes und der Gebiete geringen Wärmeübergangs innerhalb der Umlenkung eines Kühlkanals aufzuzeigen.
Figur 3 zeigt in schematisierter Darstellung ein Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Kühlkanalumlenkung 5 der Komponente einer Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums ist in dieser Figur wiederum durch dicke Pfeile angedeutet. Das Kühlmedium strömt über einen ersten Kanalabschnitt 9 in die Umlenkung 5 und von dort in einen zweiten Kanalabschnitt 10. Die beiden Kanalabschnitte 9 und 10 werden in diesem Beispiel durch eine Trennwand 11 voneinander abgetrennt, die Bestandteil der Kühlkanalwandung 12 ist. Ein derartiger Kühlkanal kann in einer üblichen Gasturbinenschaufel, wie sie beispielsweise in der Fig. 1 dargestellt ist, angeordnet sein.
Innerhalb der Umlenkung 5 ist ein geformtes Strömungs- bzw. Umlenkleitblech 8 ausgebildet, das den Kühlkanal innerhalb der Umlenkung 5 in einen radial inneren Strömungskanal 13 und einen radial äußeren Strömungskanal 14 aufteilt. Beide Strömungskanäle werden durch das Umlenkleitblech 8 vollständig voneinander getrennt. Im vorliegenden Beispiel erstreckt sich das Umlenkleitblech 8 zudem bis in den zweiten Kanalabschnitt 10 hinein. Die Strecke, um die das Umlenkleitblech 8 in den zweiten Kanalabschnitt 10 hineinragt, entspricht etwa der Breite B' bzw. B" des Abstandes zwischen der Trennwand 11 und am Einlassbzw. Auslasskanal und dem Leitblech 8.
   Das Umlenkleitblech ist in diesem Beispiel so ausgelegt, dass ca. 25 bis 45% des Massenstroms der aus dem Einlasskanal 9 in die Umlenkung 5 eintretenden Strömung in den Bereich des inneren Strömungskanals 13 und der Rest in den Bereich des äußeren Strömungskanals 14 fließt. Das Massenstromverhältnis entspricht hierbei dem Eintrittsflächenverhältnis A'/B'. Das Flächenverhältnis am Auslasskanal A"/B" entspricht in diesem Beispiel dem Flächenverhältnis am Einlasskanal und sollte nicht mehr als ± 20% von A'/B' abweichen.
Im vorliegenden Beispiel ist die Trennwand 11 im Bereich der Umlenkung 5, d.h. an ihrem umlenkungsseitigen Ende derart konturiert, dass sie zu einer Einschnürung des Strömungsquerschnitts im inneren Strömungskanal 13 führt. Die Konturierung wird in diesem Beispiel durch eine stärkere Dicke der Trennwand 11 erreicht. Durch die in der Figur 4 dargestellte lineare Zunahme der Dicke der Trennwand 11 und gleichzeitig an den abgerundeten Verlauf des Strömungsleitbleches 8 angepassten umlenkungsseitigen Ende bzw. Rand wird eine düsenartige Verengung am Einlass zum inneren Strömungskanal 13 und eine entsprechend geformte Aufweitung am Auslass in den zweiten Kanalabschnitt 10 erreicht. Durch diese Ausgestaltung tritt ein Düseneffekt auf, der den Wärmeübergang zwischen dem Kühlmedium und der Komponente in diesem Bereich durch die Beschleunigung der Strömung erhöht und damit gleichzeitig homogenisiert. Ohne eine derartige Einschnürung würden Gebiete geringen Wärmeüberganges innerhalb des Leitbleches 8, d.h. im inneren Strömungskanal 13 auftreten. Die Einschnürung der Querschnittsfläche des inneren Strömungskanals 13 sollte etwa 5 bis 20% betragen.
Zusätzlich zu dem Strömungsleitblech 8 und der durch die Trennwand 11 verursachten Einschnürung des inneren Strömungskanals 13 sind in der vorliegenden Figur 3 zwei Bohrungen 15 in den Eckbereichen der Umlenkung 5 zu erkennen. Durch diese zusätzlichen Bohrungen 15 wird ein geringer Teil der Kühlluft in die externe Strömung ausserhalb der Komponente ausgeblasen. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer Beschleunigung der Strömung im Bereich der Ablöse- bzw. Totwassergebiete an den äußeren Ecken, und erzwingt eine konvektive Durchströmung der Totwassergebiete 6 mit Kühlmittel, so, dass sich die Totwassergebiete füllen, was zu einer weiteren Homogenisierung des Wärmeüberganges beiträgt.
Vorzugsweise werden die Bohrungen 15 je nach örtlicher Lage mit ihren Bohrungsachsen ungefähr in Richtung der Stromlinien der Strömung des Kühlmediums ausgerichtet, so dass - als zusätzlicher Nebeneffekt - die Austragung von kleinen Partikeln bzw. Staub in der Kühlluft über die Bohrungen 15 erfolgen kann.
Figur 4 zeigt hierzu eine mögliche Anordnung der Bohrungen 15 sowie eine günstige Orientierung der zugehörigen Bohrungsachsen (durch die strichpunktierten Linien angedeutet). Die Darstellung entspricht einem Schnitt durch eine Gasturbinenschaufelspitze senkrecht zur Betrachtungsebene der Figur 3.
Figur 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten Erfindung. Das Strömungsleitelement 8 weist eine Anzahl Bohrungen 16 auf, welche dazu beitragen, Staub- und Schmutzansammlungen im äusseren 14 oder inneren 13 Strömungskanal zu vermeiden. Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, diesen Effekt zu erzielen. Das Strömungsleitelement ist dabei in mehrere Teilelemente, 8a und 8b, unterteilt, zwischen denen ein Spalt ausgebildet ist, welcher die gleiche Wirkung hat wie die Bohrungen 16 in Figur 5.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Schaufelfuß
2,2a
Kühlkanal
3
Austrittsschlitze, Hinterkantenausblasung
4
Austrittsöffnungen
5
Umlenkung
6
Totwasser- bzw. Rezirkulationsgebiet, Gebiet mit hohem Druckverlust
8
Strömungsleitendes Element, Strömungs- bzw. Umlenkleitblech
8a, 8b
Teilelemente
9
Erster, stromaufwärtiger, Kanalabschnitt
10
Zweiter, stromabwärtiger, Kanalabschnitt
11
Trennwand
12
Kühlkanalwandung
13
Innerer Strömungskanal
14
Äußerer Strömungskanal
15
Auslassbohrungen
16
Bohrung, Durchtrittsöffnung

Claims (13)

  1. Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere Turbinenschaufel, die einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal (2) mit zumindest einer durch die Wandung (11, 12) des Kühlkanals (2) gebildeten Umlenkung (5) aufweist, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt (9) in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt (10) umgelenkt wird, wobei im Bereich der Umlenkung (5) zumindest ein Strömungsleitelement (8) im Kühlkanal (2) angeordnet ist, durch das der Kühlkanal (2) in der Umlenkung (5) in einen inneren (13) und einen äußeren Strömungskanal (14) aufgeteilt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strömungskanal (13) eine Einschnürung im Strömungsquerschnitt aufweist.
  2. Komponente nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnürung durch die Formgebung oder Konturierung des Strömungsleitelementes (8) und/oder der Wandung (11, 12) des Kühlkanals (2) bewirkt wird.
  3. Komponente nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste (9) und zweite Kanalabschnitt (10) beidseitig einer Trennwand (11) als Teil der Wandung (11, 12) des Kühlkanals verlaufen, wobei die Dicke der Trennwand (11) im Bereich der Umlenkung (5) zunimmt, um die Einschnürung des Strömungsquerschnitts im inneren Strömungskanal (13) zu bewirken.
  4. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement (8) bis in den zweiten Kanalabschnitt (10) hinein erstreckt.
  5. Komponente nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement (8) über eine Distanz bis in den zweiten Kanalabschnitt (10) hinein erstreckt, die in etwa dem Abstand zwischen dem Strömungsleitelement (8) und der im inneren Strömungskanal (13) gegenüberliegenden Wandung (11) des Kühlkanals (2) am Übergang des ersten (9) oder zweiten Kanalabschnittes (10) zur Umlenkung (5) entspricht.
  6. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (8) derart im Kühlkanal (2) angeordnet ist, dass ca. 25 bis 45% des über den ersten Kanalabschnitt (9) eintreffenden Massenstroms an Kühlmedium durch den inneren Strömungskanal (13) strömen.
  7. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (8) und/oder die Wandung (11, 12) des Kühlkanals (2) derart ausgebildet sind, sie eine Einschnürung des Strömungsquerschnitts im inneren Strömungskanal (13) um etwa 5 - 20% bewirken.
  8. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Strömungskanal (14) ein oder mehrere Auslassbohrungen (15) in der Wandung (12) des Kühlkanals (2) ausgebildet sind, über die ein geringer Teil des Kühlmediums aus dem Kühlkanal (2) austreten kann.
  9. Komponente nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslassbohrungen (15) zumindest annähernd in Richtung lokaler Stromlinien der Strömung des Kühlmediums erstrecken.
  10. Komponente nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassbohrungen (15) in Eckbereichen der Umlenkung (5) angeordnet sind.
  11. Komponente nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassbohrungen (15) derart dimensioniert sind, dass sie einen Staubaustrag aus dem Kühlmedium ermöglichen.
  12. Komponente nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassbohrungen (15) in gering durchströmten Totwassergebieten (6) des Kühlkanals angeordnet sind, und dort die Aufrechterhaltung einer konvektiven Kühlmediums-Durchströmung gewährleisten.
  13. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (8) geeignete Mittel (16) und/oder eine geeignete Ausgestaltung aufweist um eine einseitige Staubansammlung zu vermeiden.
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