EP3134621B1 - Turbinenschaufel und turbine - Google Patents

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Publication number
EP3134621B1
EP3134621B1 EP15725320.4A EP15725320A EP3134621B1 EP 3134621 B1 EP3134621 B1 EP 3134621B1 EP 15725320 A EP15725320 A EP 15725320A EP 3134621 B1 EP3134621 B1 EP 3134621B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
cooling air
cooling
turbine
main duct
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP15725320.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3134621A1 (de
Inventor
David Johnson
Fathi Ahmad
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3134621A1 publication Critical patent/EP3134621A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3134621B1 publication Critical patent/EP3134621B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade having an internally cooled turbine blade, which at least one configured in the longitudinal direction of the turbine blade cooling air main channel configured to direct cooling air from a arranged in a region of a turbine blade root cooling air duct inlet in the direction of a turbine blade tip through the turbine blade.
  • the invention further relates to a turbine, in particular a gas turbine, with at least one turbine stage comprising a plurality of turbine blades.
  • turbine blades and turbines and gas turbines are already known from the prior art.
  • the turbine blades are flowed around by hot gas, which in particular heats the turbine blades and thus sometimes subjected to high thermal stress.
  • turbine blades in this regard are often internally cooled. That is, cooling air passages are provided in the turbine airfoils through which cooling air flows to counteract critical heating of the turbine airfoils. The disadvantage here is that this cooling air heats itself on the way through the turbine blades to the heated turbine blade outer walls.
  • the object of the invention is achieved by a turbine blade with an internally cooled turbine blade, which at least one extending in the longitudinal direction of the turbine blade cooling air main channel to direct cooling air from a arranged in a region of a turbine blade root cooling air duct inlet in the direction of a turbine blade tip through the turbine blade, within at least one cooling air main passage is provided with a hollow guide for guiding cooling air through which cooling air downstream of the cooling air main passage inlet into the turbine bucket blade can be introduced independently of the cooling air main passage.
  • This guided through the hollow guide cooling air is introduced according to the invention, bypassing a significant heating by hot gas flowing around the turbine blade blade walls further back into the cooling air main channel.
  • the center part of the turbine blade can be cooled more effectively than before.
  • cooling air main channel means are thus provided for conducting further cooling air, by means of which this additional cooling air can be conducted at least partially through the cooling air main channel independently of a cooling air introduced directly into the cooling air main channel through the cooling air duct inlet.
  • the effect can be obtained that the cooling air already heated in the cooling air main passage can be cooled by the additional cooling air by transmitting at least a part of the heat energy inherent to the heated cooling air to the additional cooling air.
  • the total existing cooling air is cooler than without the hollow guide according to the invention. As such, an additional cooling effect is achieved on the turbine bucket blade.
  • the term "further back" in the sense of the invention describes a location within the cooling air main channel at which the additional cooling air is introduced into the cooling air main channel and which is preferably more than 30% or 40% of the total length of the cooling air main channel spaced from the cooling air main channel inlet.
  • the additional cooling air conducted through the hollow guide means may flow at a flow velocity inside the main cooling air passage which is different from a flow velocity of a cooling air led directly from the cooling air main passage to promote mixing in merging the cooling air.
  • hollow guide device can be designed differently within the at least one cooling air main channel.
  • the hollow guide on a conically widening in the flow direction cooling air outlet. This allows the additional cooling air introduced through the hollow guide farther back in the cooling air main passage to distribute more favorably over the cross section of the cooling air main passage after this additional cooling air has flowed into the cooling air main passage. As a result, the cooling efficiency can be further increased.
  • this tube member comprises a tube element with a circular tube cross-section.
  • this tube member may also have any other shaped tube cross section, if appropriate.
  • the tube cross section may be oval, rectangular, triangular or the like.
  • the present turbine blade can also be traversed by several cooling air channels.
  • a hollow guide device can also be arranged in a plurality of cooling air channels or possibly also in all of the cooling air channels.
  • the turbine blade according to the invention is preferably a turbine blade of a gas turbine and especially of a hot gas turbine, since relevant turbine blades are subject to particularly high thermal loads, so that it is precisely these turbine blades that can be developed particularly advantageously by the present hollow guide.
  • the hollow baffle comprises a tubular element having a length that is less than 80% or less than 60% of the main air channel length. As a result, heating of the cooling air as a whole can be reduced within the cooling air main channel.
  • the hollow guide comprises a tube member having a length which is at least 30% or 40%, preferably 50%, of the main length of the cooling air channel.
  • the cooling air outlet from which the largest, if not the entire, amount of cooling air guided in the hollow baffle can exit, is located at said positions of the main cooling air duct.
  • the hollow guide device comprises a diffuser.
  • the diffuser it is possible in a structurally simple manner to reduce the flow velocity of the additional cooling air prior to entry into the cooling air main channel in such a way that the additional cooling air can mix more intensively with the remaining cooling air already heated within the main cooling air channel before the cooling air as a whole leaves the main cooling air channel , As a result, the cooling efficiency can be increased again.
  • this diffuser can be of different shape.
  • the diffuser can be provided structurally simple by a funnel-shaped outlet of the tubular element of the hollow guide.
  • a diffuser of the hollow guide means additionally tapers the inner cross-sectional area of the cooling air main channel.
  • the diffuser is disposed at the turbine blade tip end of the hollow guide, so that the flow velocity of the additional cooling air after leaving a diameter-limited tube member of the hollow guide can be reliably reduced.
  • cooling air outlet openings are arranged in outer walls of the turbine blade leaf, which are arranged in the longitudinal extension of the cooling air main channel only in front of a diffuser of the hollow guide and / or only after this diffuser. are No cooling air outlet openings provided at the height of the diffuser, the risk can be reduced that there due to an increase in pressure caused by the accelerated cooling air, an excessively high proportion of cooling air from the cooling air outlet openings.
  • the cooling-air main duct walls are completely closed and sealed.
  • the longitudinal extension of the cooling air main channel in the present case is aligned with the longitudinal direction of the turbine blade or of the turbine blade leaf.
  • cooling air outlet openings are realized by corresponding introduced in the outer walls outlet holes.
  • the cooling air main channel in which the hollow guide device according to the invention is integrated, may be expediently designed if the cooling air main channel is configured by outer walls of the turbine blade leaf and one or two rib elements arranged inside the turbine blade leaf, wherein the hollow guide device projects from a turbine blade root into the cooling air main channel.
  • the object of the invention is also achieved by a turbine, in particular a gas turbine, with at least one turbine stage comprising a plurality of turbine blades, wherein the at least one turbine stage comprises turbine blades according to any one of the preceding features.
  • a turbine equipped with thermally relieved turbine blades can not only be operated with less maintenance, but also has a higher stability.
  • Turbine blade 1 of a hot gas turbine 2 partially shown in different views has an internally cooled turbine blade 3 with a hollow profile 4.
  • the hollow profile 4 in this case encloses a cavity 5 of the turbine blade 1 substantially through a front side wall 6 of the turbine blade 3 and through a rear side wall 7 of the turbine blade 3, which merge into each other both at the leading edge 8 of the turbine blade 3 and at its trailing edge 9.
  • the front and rear side walls 6 and 7, respectively embody the outer walls 10 of the turbine airfoil 3.
  • the front side wall 6 in this case forms the pressure side 11 and the rear side wall 7 correspondingly the suction side 12 of the turbine blade 1, since the turbine blade 1 is in the operation of the hot gas turbine 2 in the direction 13 of a hot gas 14 flows or flows around (see FIGS. 3 and 4 ).
  • the cavity 5 is subdivided into at least one cooling air main channel 19 and three further cooling air channels 20, 21 and 22, which likewise extend in the longitudinal direction 18 of the turbine blade 1.
  • cooling air 23 is discharged from a cooling air main passage inlet (not shown) disposed in a portion 24 of a turbine blade root (not shown) shown) in the direction 25 of a further outer region 26 of a turbine blade tip (not shown) passed through the turbine blade 3 in order to cool the turbine blade 3 from the inside.
  • This cooling air 23 is thus fed directly into the cooling air main duct 19 via the cooling air main duct inlet, not shown here, so that this cooling air 23 flows through the entire cooling air main duct 19 if parts 27 (only exemplarily numbered) of the cooling air 23 have not previously been vented through outlet bores introduced into the outer walls 10 28 are discharged to the outside in the environment 29 of the turbine blade 3.
  • the cooling air 23 introduced by means of the cooling air main channel inlet heats up more and more, since starting from the heated outer walls 10 a heat transfer to heat energy to the cooling air 23 takes place.
  • a hollow guide 35 for conducting additional cooling air 36 inside the cooling air main channel 19 there is arranged a hollow guide 35 for conducting additional cooling air 36, through which additional cooling air 36 downstream of the cooling air main channel inlet into the turbine blade 3 can be introduced independently of the cooling air main channel 19.
  • a funnel-shaped outlet 37 of the hollow guide 35 - starting from the cooling air main channel inlet - lies approximately at 50% of the length of the cooling air main channel 19, so that additional half of the cooling air main channel 19 is again introduced additional cooling air 36 in this cooling air main channel 19 can.
  • the hollow guide 35 has a tubular element 38, which thus has a larger diameter at its end 39 facing the turbine blade tip.
  • the end 39 is designed as a diffuser 40, so that the flow velocity of the additional cooling air 36 conducted through the pipe element 38 is reduced before it is introduced into the cooling-air main duct 19.
  • more time for a more intensive mixing with the already heated cooling air 23 can be made available.
  • the already heated cooling air 23 and, on the other hand, in particular the outer walls 10 can be cooled more favorably by the additional cooling air 36.
  • the hollow guide device 35 is arranged approximately centrally in the cooling air main channel 19 in order to allow the cooling air 23 within the cooling air main channel 19 to flow as uniformly as possible.
  • the turbine blade 3 is cut at height downstream of the diffuser 40, viewed in the direction opposite to the flow direction 30 on the hollow guide 35th

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt, welches wenigstens einen sich in Längsrichtung der Turbinenschaufel erstreckenden Kühllufthauptkanal ausgestaltet, um Kühlluft von einem in einem Bereich eines Turbinenschaufelfußes angeordneten Kühlluftkanaleinlass in Richtung einer Turbinenschaufelspitze durch das Turbinenblatt zu leiten.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln.
  • Gattungsgemäße Turbinenschaufeln sowie Turbinen und Gasturbinen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Insbesondere im Zusammenhang mit Gasturbinen bzw. Heißgasturbinen werden die Turbinenschaufeln von Heißgas umströmt, welches insbesondere deren Turbinenschaufelblätter erhitzt und somit mitunter thermisch stark beansprucht. Um zu verhindern, dass sich diese Turbinenschaufelblätter kritisch erhitzen und gegebenenfalls die gesamten Turbinenschaufeln Schaden nehmen, sind diesbezügliche Turbinenschaufelblätter oftmals innengekühlt. Dass heißt, in den Turbinenschaufelblättern sind Kühlluftkanäle vorgesehen, durch welche Kühlluft strömt, um einer kritischen Erhitzung der Turbinenschaufelblätter entgegenzuwirken. Nachteilig hierbei ist es, dass sich diese Kühlluft auf dem Weg durch die Turbinenschaufelblätter an den erhitzten Turbinenschaufelblattaußenwandungen selbst erwärmt. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlvermögen der Kühlluft zunehmend verringert, je weiter sie den jeweiligen durch das Turbinenschaufelblatt ausgebildeten Kühlkanal durchströmt. Oftmals ist das Kühlvermögen dieser Kühlluft bereits auf der Hälfte der Wegstrecke durch den Kühlluftkanal signifikant gesunken. Insofern sinkt auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Heißgas, welches die Turbinenschaufel umströmt, und der durch das Turbinenschaufelblatt geführten Kühlluft, wodurch Bereiche des Turbinenschaufelblatts, welche weiter stromab liegen, weniger gut bis gar nicht mehr gekühlt werden.
  • Dieser Nachteil muss bei der thermischen Auslegung der Turbinenschaufel bzw. deren Turbinenschaufelblatt konstruktiv berücksichtigt werden, um hierdurch diesem unerwünschten Effekt möglichst gut entgegenwirken zu können. Durch diesen Umstand ist jedoch die konstruktive Auslegung der Turbinenschaufel nachteilig beschränkt.
  • Weiter ist es beispielsweise aus der US 3,867,068 bekannt, im Inneren der Turbinenschaufel einen perforierten Prallkühleinsatz zu verwenden, der unter Abstand zur Innenfläche der Schaufelwände die Prallkühlung des Schaufelblatts ermöglicht. Jedoch kann auch hier eine Aufheizung des in das Innere des Prallkühleinsatzes eingespeisten Kühlmediums erfolgen, was als nachteilig empfunden wird.
  • Zudem ist es aus der EP 232 782 A1 bekannt, in einer modularen Turbinenschaufel als Einschubstück ein Wirbelrohr zu verwenden, um im Inneren der Turbinenschaufel eine wirbelförmige Luftströmung bereitzustellen. Deren Kern wird von eine äußeren Zone umgeben, wobei die Kernströmung niedrigere und die äußere Strömung höhere Temperaturen besitzt. Diese Konstruktion hat sich als recht aufwendig erwiesen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, gattungsgemäße Turbinenschaufeln derart weiterzuentwickeln, dass zumindest die vorstehend genannten Nachteile überwunden werden können.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt, welches wenigstens einen sich in Längsrichtung der Turbinenschaufel erstreckenden Kühllufthauptkanal ausgestaltet, um Kühlluft von einem in einem Bereich eines Turbinenschaufelfußes angeordneten Kühlluftkanaleinlass in Richtung einer Turbinenschaufelspitze durch das Turbinenblatt zu leiten, gelöst, wobei innerhalb des wenigstens einen Kühllufthauptkanals eine hohle Leiteinrichtung zum Leiten von Kühlluft angeordnet ist, durch welche hindurch unabhängig von dem Kühllufthauptkanal Kühlluft stromab hinter den Kühllufthauptkanaleinlass in das Turbinenschaufelblatt eingeleitet werden kann.
  • Diese durch die hohle Leiteinrichtung geleitete Kühlluft wird erfindungsgemäß unter Umgehung einer nennenswerten Erwärmung durch von Heißgas umströmten Turbinenschaufelblattwandungen weiter hinten in den Kühllufthauptkanal eingeleitet. Somit kann insbesondere der Mittelteil des Turbinenschaufelblatts effektiver als bisher gekühlt werden.
  • Erfindungsgemäß sind vorliegend zumindest innerhalb des Kühllufthauptkanals also Mittel zum Leiten von weiterer Kühlluft vorgesehen, mittels welchen diese zusätzliche Kühlluft unabhängig von einer durch den Kühlluftkanaleinlass unmittelbar in den Kühllufthauptkanal eingeleiteten Kühlluft zumindest teilweise durch den Kühllufthauptkanale geleitet werden kann.
  • Hierdurch kann der Effekt erzielt werden, dass die in dem Kühllufthauptkanal bereits erwärmte Kühlluft durch die zusätzliche Kühlluft gekühlt werden kann, indem zumindest ein Teil von der der erwärmten Kühlluft innewohnenden Wärmeenergie an die zusätzliche Kühlluft übertragen wird. Somit ist die dort insgesamt vorhandene Kühlluft kühler als ohne die erfindungsgemäße hohle Leiteinrichtung. Insofern wird ein zusätzlicher Kühleffekt an dem Turbinenschaufelblatt erzielt.
  • Während die durch den Kühllufthaupteinlass unmittelbar in den Kühllufthauptkanal eingeleitete Kühlluft, die Wandungen des Kühllufthauptkanals direkt hinter dem Kühllufthauptkanaleinlass kühlen kann, wobei diese Kühlluft sich jedoch bereits erwärmt, wird die zusätzliche durch die hohle Leiteinrichtung geleitete Kühlluft erst weiter hinten der bereits erwärmten Kühlluft beigemengt, wodurch ein zusätzlicher Kühleffekt innerhalb des Kühllufthauptkanals bzw. an den Wandungen des Kühllufthauptkanals erzielt werden kann.
  • Mit dem Begriff "weiter hinten" ist im Sinne der Erfindung ein Ort innerhalb des Kühllufthauptkanals beschrieben, an welchem die zusätzliche Kühlluft in den Kühllufthauptkanal eingeleitet wird und welcher bevorzugt mehr als 30% oder 40% der Gesamtlänge des Kühllufthauptkanals von dem Kühllufthauptkanaleinlass beabstandet liegt.
  • Die zusätzliche durch die hohle Leiteinrichtung geleitete Kühlluft kann derart mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Kühllufthauptkanals strömen, welche von einer Strömungsgeschwindigkeit einer unmittelbar von dem Kühllufthauptkanal geleiteten Kühlluft verschieden ist, um eine Vermischung beim Zusammenführen der Kühlluft zu begünstigen.
  • Es versteht sich, dass die hohle Leiteinrichtung unterschiedlich innerhalb des wenigstens einen Kühllufthauptkanal ausgebildet sein kann.
  • Weiter weist die hohle Leiteinrichtung einen sich in Strömungsrichtung konisch erweiternden Kühlluftauslass auf. Dies ermöglicht, dass sich die durch die hohle Leiteinrichtung weiter hinten in dem Kühllufthauptkanal eingeleitete zusätzliche Kühlluft günstiger über den Querschnitt des Kühllufthauptkanals verteilen, nachdem diese zusätzliche Kühlluft in den Kühllufthauptkanal eingeströmt ist. Hierdurch kann die Kühleffektivität weiter gesteigert werden.
  • Bevorzugt umfasst sie ein Rohrelement mit einem kreisrunden Rohrquerschnitt. Dieses Rohrelement kann jedoch auch jeden anders geformten Rohrquerschnitt aufweisen, wenn dies zweckdienlich ist. Beispielsweise kann der Rohrquerschnitt oval, rechteckig, dreieckig oder dergleichen ausgebildet sein.
  • Das vorliegende Turbinenschaufelblatt kann hierbei auch von mehreren Kühlluftkanälen durchzogen sein. Je nach der thermischen Auslegung der Turbinenschaufel kann eine hohle Leiteinrichtung auch in mehreren Kühlluftkanälen oder gegebenenfalls auch in allen der Kühlluftkanäle angeordnet sein.
  • Bereits signifikant verbesserte Kühlleistungen können an einer entsprechend ausgebildeten Turbinenschaufel erzielt werden, wenn die vorliegende hohle Leiteinrichtung wenigstens in einem der Kühlmittelhauptkanäle angeordnet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel handelt es sich bevorzugt um eine Turbinenschaufel einer Gasturbine und speziell einer Heißgasturbine, da diesbezügliche Turbinenschaufeln thermisch besonders stark belastet sind, so dass gerade diese Turbinenschaufeln durch die vorliegende hohle Leiteinrichtung besonders vorteilhaft weiterentwickelt werden können.
  • Um einen guten zusätzlichen Kühleffekt entlang eines weiten Bereichs des Turbinenschaufelblatts zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die hohle Leiteinrichtung ein Rohrelement mit einer Länge umfasst, welche weniger als 80% oder weniger als 60% der Kühllufthauptkanallänge beträgt. Hierdurch kann innerhalb des Kühllufthauptkanals eine Aufheizung der Kühlluft insgesamt reduziert werden.
  • Ein besonders günstiger zusätzlicher Kühleffekt kann erzielt werden, wenn die hohle Leiteinrichtung ein Rohrelement mit einer Länge umfasst, welche mindestens 30% oder 40%, vorzugsweise 50%, der Kühllufthauptkanallänge beträgt. Mit anderen Worten: der Kühlluftauslass, aus dem die größte, wenn nicht die gesamte in der hohlen Leiteinrichtung geführte Kühlluftmenge austreten kann, liegt an den besagten Positionen des Kühllufthauptkanals.
  • Weiterhin gute Strömungsverhältnisse können innerhalb des Kühllufthauptkanals gewährleistet werden, wenn die hohle Leiteinrichtung zentrisch innerhalb des Kühlmittelhauptkanals angeordnet ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die hohle Leiteinrichtung einen Diffusor umfasst. Mittels des Diffusors gelingt es auf konstruktiv einfache Weise, die Strömungsgeschwindigkeit der zusätzlichen Kühlluft vor dem Eintritt in den Kühllufthauptkanal derart zu verringert, dass sich die zusätzliche Kühlluft intensiver mit der übrigen bereits innerhalb des Kühllufthauptkanals erwärmten Kühlluft vermischen kann, bevor die Kühlluft insgesamt den Kühllufthauptkanal verlässt. Hierdurch kann die Kühleffektivität nochmals gesteigert werden.
  • Es versteht sich, dass dieser Diffusor unterschiedlicher Gestalt sein kann. Jedenfalls kann der Diffusor durch einen trichterförmigen Auslass des Rohrelements der hohlen Leiteinrichtung konstruktiv einfach bereitgestellt werden.
  • Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein Diffusor der hohlen Leiteinrichtung die Innenquerschnittsfläche des Kühllufthauptkanals zusätzlich verjüngt. Hierdurch wird die durch den Kühllufthauptkanal regulär strömende Kühlluft auf Höhe des Auslasses der hohlen Leiteinrichtung beschleunigt, wodurch diese günstiger mit der aus dem Diffusor strömenden zusätzlichen Kühlluft verwirbeln kann. Hierdurch ist eine nochmalige Steigung der Kühleffektivität erreicht.
  • Vorteilhafterweise ist der Diffusor an dem der Turbinenschaufelspitze zugewandten Ende der hohlen Leiteinrichtung angeordnet, sodass die Strömungsgeschwindigkeit der zusätzlichen Kühlluft nach dem Verlassen eines im Durchmesser begrenzten Rohrelements der hohlen Leiteinrichtung betriebssicher reduziert werden kann.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn in Außenwandungen des Turbinenschaufelblatts Kühlluftaustrittöffnungen angeordnet sind, welche in Längserstreckung des Kühllufthauptkanals lediglich vor einem Diffusor der hohlen Leiteinrichtung und/oder lediglich nach diesem Diffusor angeordnet sind. Sind auf Höhe des Diffusors keine Kühlluftaustrittöffnungen vorgesehen, kann die Gefahr verringert werden, dass dort aufgrund einer Druckerhöhung durch die beschleunigte Kühlluft, ein übermäßig hoher Teil an Kühlluft aus den Kühlluftaustrittöffnungen ausströmt.
  • Insofern ist es vorteilhaft, wenn auf Höhe des Diffusors die Kühllufthauptkanalwandungen vollständig verschlossen und dicht sind.
  • Die Längserstreckung des Kühllufthauptkanals fluchtet vorliegend mit der Längsrichtung der Turbinenschaufel bzw. des Turbinenschaufelblatts.
  • Beispielsweise sind solche Kühlluftaustrittsöffnungen durch entsprechende in den Außenwandungen eingebrachte Auslassbohrungen realisiert.
  • Der Kühllufthauptkanal, in welchem erfindungsgemäß die hohle Leiteinrichtung integriert ist, kann zweckmäßig ausgebildet sein, wenn der Kühllufthauptkanal von Außenwandungen des Turbinenschaufelblatts und einem oder zwei innerhalb des Turbinenschaufelblatts angeordneten Rippenelementen ausgestaltet ist, wobei die hohle Leiteinrichtung ausgehend von einem Turbinenschaufelfuß in den Kühllufthauptkanal hineinragt.
  • Die Gefahr, dass sich die zusätzliche durch die hohle Leiteinrichtung geleitete Kühlluft durch die Heißgase, welche die Turbinenschaufel außen umströmen, ungünstig erwärmt, kann nahezu ausgeschlossen werden, wenn die hohle Leiteinrichtung beabstandet von den Turbinenschaufelblattwandungen, insbesondere von den Vorderseiten- und/oder Hinterseitenwandungen des Turbinenschaufelblatts, angeordnet ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, mit wenigstens einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln gelöst, wobei die wenigstens eine Turbinenstufe Turbinenschaufeln nach einem der vorhergehenden Merkmale umfasst.
  • Eine mit thermisch entlasteten Turbinenschaufeln ausgerüstete Turbine kann nicht nur wartungsärmer betrieben werden, sondern sie besitzt darüber hinaus auch eine höhere Standfestigkeit.
  • An der vorliegenden Turbinenschaufel kann somit entlang der Längsrichtung des Turbinenschaufelblatts entweder ein wesentlich günstigerer Kühleffekt bei gleichem Kühlluftvolumen wie bisher erzielt werden. Oder es kann mit einem geringen Kühlluftvolumen die gleiche Kühlleistung wie bisher erzielt werden.
  • Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein Turbinenschaufelblatt mit einer innerhalb eines Kühlluftkanals angeordneten hohlen Leiteinrichtung zum Zuleiten einer zusätzlichen Kühlluft dargestellt und beschrieben ist.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1 schematisch eine erste längsgeschnittene Teilansicht eines Turbinenschaufelblatts mit einer innerhalb eines Kühllufthauptkanals angeordneten hohlen Leiteinrichtung zum Leiten zusätzlicher Kühlluft in das Turbinenschaufelblatt;
    • Figur 2 schematisch eine gegenüber der in der Figur 1 gezeigten Teilansicht um 90° gedrehte weitere längsgeschnittene Teilansicht des Turbinenschaufelblatts aus der Figur 1;
    • Figur 3 schematisch eine Querschnittsansicht des Turbinenschaufelblatts aus den Figuren 1 und 2 entlang der Schnittlinie A-A; und
    • Figur 4 schematisch eine andere Querschnittsansicht des Turbinenschaufelblatts aus den Figuren 1 bis 3 entlang der Schnittlinie B-B.
  • Die in den Figuren 1 bis 4 in unterschiedlichen Ansichten jeweils teilweise gezeigte Turbinenschaufel 1 einer Heißgasturbine 2 weist ein innengekühltes Turbinenschaufelblatt 3 mit einem Hohlprofil 4 auf.
  • Das Hohlprofil 4 umschließt hierbei einen Hohlraum 5 der Turbinenschaufel 1 im Wesentlichen durch eine Vorderseitenwand 6 des Turbinenschaufelblatts 3 sowie durch eine Hinterseitenwand 7 des Turbinenschaufelblatts 3, welche sowohl an der Vorderkante 8 des Turbinenschaufelblatts 3 als auch an dessen Hinterkante 9 ineinander übergehen. Insofern verkörpern die Vorder- und Hinterseitenwand 6 bzw. 7 die Au-ßenwandungen 10 des Turbinenschaufelblatts 3.
  • Die Vorderseitenwand 6 bildet hierbei die Druckseite 11 und die Hinterseitenwand 7 dementsprechend die Saugseite 12 der Turbinenschaufel 1, da die Turbinenschaufel 1 im Betrieb der Heißgasturbine 2 in Richtung 13 von einem Heißgas 14 angeströmt bzw. umströmt wird (siehe Figuren 3 und 4).
  • Innerhalb des Hohlraums 5 befinden sich zur Unterteilung des Hohlprofils 4 noch drei Rippenelemente 15, 16 sowie 17, welche in Längsrichtung 18 der Turbinenschaufel 1 bzw. des Turbinenschaufelblatts 3 verlaufend angeordnet sind.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist mittels der drei Rippenelemente 15, 16 und 17 der Hohlraum 5 in wenigstens einen Kühllufthauptkanal 19 und in drei weitere Kühlluftkanäle 20, 21 und 22 unterteilt, welche jeweils ebenfalls in Längsrichtung 18 der Turbinenschaufel 1 verlaufen.
  • Insbesondere mittels des Kühllufthauptkanals 19 wird Kühlluft 23 von einem in einem Bereich 24 eines Turbinenschaufelfußes (nicht gezeigt) angeordneten Kühllufthauptkanaleinlass (nicht gezeigt) in Richtung 25 eines weiter außenliegenden Bereichs 26 einer Turbinenschaufelspitze (nicht gezeigt) durch das Turbinenschaufelblatt 3 hindurch geleitet, um das Turbinenschaufelblatt 3 von innen her zu kühlen.
  • Diese Kühlluft 23 wird also unmittelbar über den hier nicht gezeigten Kühllufthauptkanaleinlass in den Kühllufthauptkanal 19 einspeist, so dass diese Kühlluft 23 den gesamten Kühllufthauptkanal 19 durchströmt, sofern Teile 27 (nur exemplarisch beziffert) der Kühlluft 23 vorher nicht bereits durch in den Außenwandungen 10 eingebrachten Auslassbohrungen 28 nach außen in die Umgebung 29 des Turbinenschaufelblatts 3 ausgeströmt sind.
  • Auf dem Weg durch den Kühllufthauptkanal 19 in Strömungsrichtung 30 hindurch erwärmt sich die mittels des Kühllufthauptkanaleinlasses eingebrachte Kühlluft 23 immer stärker, da ausgehend von den erhitzten Außenwandungen 10 ein Wärmeübertrag an Wärmeenergie auf die Kühlluft 23 stattfindet. Dies bewirkt, dass die weiter in Strömungsrichtung 30 stromab liegenden Bereiche des Turbinenschaufelblatts 3 weniger gut durch diese Kühlluft 23 gekühlt werden, wodurch insbesondere Bereiche in der Nähe der Turbinenschaufelblattspitze thermisch stets stärker belastet sind.
  • Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, ist erfindungsgemäß innerhalb des Kühllufthauptkanals 19 eine hohle Leiteinrichtung 35 zum Leiten von zusätzlicher Kühlluft 36 angeordnet, durch welche hindurch unabhängig von dem Kühllufthauptkanal 19 eine zusätzliche Kühlluft 36 stromab hinter dem Kühllufthauptkanaleinlass in das Turbinenschaufelblatt 3 eingeleitet werden kann.
  • Hierdurch gelingt es, diese durch die hohle Leiteinrichtung 35 hindurch geleitete zusätzliche Kühlluft 36 unter Umgehung einer Erwärmung durch die von dem Heißgas 14 umströmten Au-ßenwandungen 10 des Turbinenschaufelblatts 3 weiter hinten in den Kühllufthauptkanal 19 einzuleiten.
  • Somit gelingt es mittels der hohlen Leiteinrichtung 35 erstmals auf konstruktiv einfache Weise, die von dem das Turbinenschaufelblatt 3 umströmenden Heißgas 14 weitestgehend noch unerwärmte Kühlluft 36 weiter hinten in den Kühllufthauptkanal 19 einzuleiten, so dass von dem Kühllufthauptkanaleinlass weiter beabstandete und dafür näher an der Turbinenschaufelblattspitze liegende Bereiche mithilfe dieser zusätzlichen Kühlluft 36 effektiver gekühlt werden können.
  • In diesem Ausführungsbeispiel liegt ein trichterförmig ausgestalteter Auslass 37 der hohlen Leiteinrichtung 35 - ausgehen von dem Kühllufthauptkanaleinlass - in etwa bei 50% der Länge des Kühllufthauptkanals 19, so dass in etwa nach der Hälfte des Kühllufthauptkanals 19 nochmals zusätzliche Kühlluft 36 in diesen Kühllufthauptkanal 19 eingeleitet werden kann.
  • Die hohle Leiteinrichtung 35 weist ein Rohrelement 38 auf, welches an seinem der Turbinenschaufelblattspitze zugewandten Ende 39 somit einen größeren Durchmesser aufweist. Das Ende 39 ist hierbei als Diffusor 40 ausgestaltet, so dass die Strömungsgeschwindigkeit der durch das Rohrelement 38 geleiteten zusätzlichen Kühlluft 36 vor dem Einleiten in den Kühllufthauptkanal 19 reduziert wird. Insofern kann mehr Zeit für eine intensivere Durchmischung mit der bereits erwärmten Kühlluft 23 zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann einerseits die bereits erwärmte Kühlluft 23 und andererseits insbesondere die Außenwandungen 10 von der zusätzlichen Kühlluft 36 günstiger gekühlt werden.
  • Gemäß den Darstellungen nach den Figuren 1 und 2 ist gut zu erkennen, wie der Innenquerschnitt, durch welchen die Kühlluft 23 strömen kann, des Kühllufthauptkanals 19 zum einen durch das kreisrunde Rohrelement 38 verengt ist. Zum anderen wird dieser Innenquerschnitt nochmals durch den trichterförmigen Auslass 37 verjüngt, wodurch die in dem Kühllufthauptkanal 19 strömende Kühlluft 23 beschleunigt wird, bevor sie sich mit der zusätzlichen Kühlluft 36 vermischt.
  • Speziell gemäß den Darstellungen nach den Figuren 3 und 4 ist gut zu erkennen, dass die hohle Leiteinrichtung 35 in etwa zentrisch in dem Kühllufthauptkanal 19 angeordnet ist, um ein möglichst gleichmäßiges Strömen der Kühlluft 23 innerhalb des Kühllufthauptkanals 19 zu ermöglichen.
  • Nach der Darstellung der Figur 3 ist das Turbinenschaufelblatt 3 in Höhe stromab des Diffusors 40 geschnitten, mit Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung 30 auf die hohle Leiteinrichtung 35.
  • Im Gegensatz hierzu ist das Turbinenschaufelblatt 3 nach der Darstellung der Figur 4 auf Höhe des Rohrelements 38 mit Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung 30 geschnitten. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch dieses offenbarte Ausführungsbeispiel eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, sofern Sie den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung nicht verlassen.

Claims (11)

  1. Turbinenschaufel (1) mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt (3), welches wenigstens einen sich in Längsrichtung (18) der Turbinenschaufel (1) erstreckenden Kühllufthauptkanal (19) ausgestaltet, um Kühlluft (23) von einem in einem Bereich (24) eines Turbinenschaufelfußes angeordneten Kühllufthauptkanaleinlass in Richtung (25) einer Turbinenschaufelspitze durch das Turbinenschaufelblatt (3) zu leiten, wobei innerhalb des wenigstens einen Kühllufthauptkanals (19) eine hohle Leiteinrichtung (35) zum Leiten von zusätzlicher Kühlluft (36) angeordnet ist, durch welche hindurch unabhängig von dem Kühllufthauptkanal (19) zusätzliche Kühlluft (36) stromab hinter dem Kühllufthauptkanaleinlass in das Turbinenschaufelblatt (3) einleitbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Leiteinrichtung (35) einen sich in Strömungsrichtung (30) konisch erweiternden Kühlluftauslass (37) aufweist.
  2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    wobei die hohle Leiteinrichtung (35) ein Rohrelement (38) mit einer Länge umfasst, welche weniger als 80% oder weniger als 60%, vorzugsweise 50%, der Kühllufthauptkanallänge beträgt.
  3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die hohle Leiteinrichtung (35) ein Rohrelement (38) mit einer Länge umfasst, welche mindestens 30% oder 40%, vorzugsweise 50%, der Kühllufthauptkanallänge beträgt.
  4. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die hohle Leiteinrichtung (35) zentrisch innerhalb des Kühlmittelhauptkanals (19) angeordnet ist.
  5. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei die hohle Leiteinrichtung (35) einen Diffusor (40) umfasst.
  6. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei ein Diffusor (40) der hohlen Leiteinrichtung (35) die Innenquerschnittsfläche des Kühllufthauptkanals (19) zusätzlich verjüngt.
  7. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei ein Diffusor (40) der hohlen Leiteinrichtung (35) an dem der Turbinenschaufelspitze zugewandten Ende der hohlen Leiteinrichtung (35) angeordnet ist.
  8. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei in Außenwandungen (10) des Turbinenschaufelblatts (3) Kühlluftaustrittöffnungen (28) angeordnet sind, welche in Längserstreckung des Kühllufthauptkanals (19) lediglich vor einem Diffusor (40) der hohlen Leiteinrichtung (35) und/oder lediglich nach diesem Diffusor (40) angeordnet sind.
  9. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei der Kühllufthauptkanal (19) von Außenwandungen (10) des Turbinenschaufelblatts (3) und von einem oder zwei innerhalb des Turbinenschaufelblatts (3) angeordneten Rippenelementen (15, 16) ausgestaltet ist, wobei die hohle Leiteinrichtung (35) ausgehend von einem Turbinenschaufelfuß in den Kühllufthauptkanal (19) hineinragt.
  10. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    wobei die hohle Leiteinrichtung (35) beabstandet von den Außenwandungen (10) des Turbinenschaufelblatts (3), insbesondere von den Vorderseiten- und/oder Hinterseitenwandungen (6, 7) des Turbinenschaufelblatts (3), angeordnet ist.
  11. Turbine (2), insbesondere Gasturbine,
    mit wenigstens einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln (1), wobei die wenigstens eine Turbinenstufe Turbinenschaufeln (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
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