WO2019211427A1 - Schaufelblatt für eine turbinenschaufel - Google Patents

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WO2019211427A1
WO2019211427A1 PCT/EP2019/061354 EP2019061354W WO2019211427A1 WO 2019211427 A1 WO2019211427 A1 WO 2019211427A1 EP 2019061354 W EP2019061354 W EP 2019061354W WO 2019211427 A1 WO2019211427 A1 WO 2019211427A1
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WO
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blade
rows
airfoil
cooling holes
height
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PCT/EP2019/061354
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French (fr)
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Fathi Ahmad
Daniela Koch
Marco Schüler
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the invention relates to an airfoil for a turbine blade, comprising a vorström of a hot gas vordarkante from which a suction side wall and a
  • Such a turbine blade is known, for example, from EP 2 154 333 A2.
  • the arranged in the leading edge cooling holes are used during operation of a crudestat ended gas turbine to produce a cooling protective film over the leading edge to counter the incoming hot gas flow ent.
  • the cooling holes are therefore also referred to as film cooling holes, which are also known in English because of their th th arrangement also known as "Shower Head Film Cooling Holes.”
  • film cooling holes which are also known in English because of their th th arrangement also known as "Shower Head Film Cooling Holes.”
  • the stagnation point since there is no cross flow in the idealized Sin ne, for this reason, in the prior art on both sides of the leading edge or the previously determined stagnation film cooling holes arranged in order to prevent the hot gas flow impinging there does not come in too close con tact with the component wall.
  • the disadvantage is that the stagnation point of a show felprofils or the stagnation of a blade can be dependent on different factors, so that there is a
  • US 2016/0010463 A1 teaches, with a displacement of the stagnation line, to arrange on the pressure side of moving blades an additional half-row of film cooling holes on the radially outer half of the blade.
  • the additional film cooling holes increase the consumption of cooling air, which has a negative effect on the efficiency of a turbine equipped therewith.
  • adapted cooling can also be achieved by not selecting the position but merely the inclination of some leading edge film cooling holes in a previously determined displacement of the stagnation dot line so that they do not converge in the opposite direction to the expected local hot gas flow Direction the cooling air ausbla sen, but in the same direction.
  • the present invention seeks to provide an airfoil for a turbine blade, which is best possible decor with different operating conditions of a gas turbine, especially when using a reasonable amount of coolant sufficient cooling with the highest possible life of the airfoil to achieve.
  • the invention is based on the finding that the fact neuter hot gas flow direction of the for the interpretation of Blade sheet used flow direction may differ on the one hand due to different operations of the gas turbine. The deviations can occur due to a change in load to nominal load.
  • the stagnation point of a blade profile in the region of the leading edge can oscillate due to flow effects which are caused by a vane arranged upstream of the blade. The oscillation of the stagnation point of a blade profile leads to locally increased surface temperature of the blade, which can be effectively counteracted by the invention.
  • cooling holes are displaced towards the pressure side or suction side, based on the oscillating stagnation point of the relevant blade profile.
  • an area is determined for each blade profile in which the stagnation point can occur.
  • Each of these areas is defined by two endpoints, from which a mean congestion point can then be determined.
  • the two cooling holes are positioned so that the best possible cooling is achieved. This optimizes the cooling effect locally.
  • By using only two rows of cooling instead of usually three or more complete rows of cooling can also reduce the amount of coolant required for cooling. The reduced consumption of coolant contributes during the operation of the gas turbine to its effect degree increase.
  • the at least two rows of cooling holes along the Ge entire extension of the leading edge between 0% and 100% show blade height on a wavy line with several troughs and wave crests are arranged. Consequently, the cooling holes of the at least two rows are repeatedly displaced slightly locally to the pressure side, compared with cooling holes on another vane blade height.
  • the at least two rows of cooling holes are arranged only partially along the leading edge on a wavy line, such that the at least two rows of cooling holes in a ers th area, which is located between 0% and about 40% airfoil height are arranged substantially parallel on both sides of the leading edge and arranged in a immediacy bar adjacent second region, which extends between about 40% and about 75% vane height and higher, are arranged on the pressure side and wherein the at least two rows of cooling holes in a to the second Be rich immediately adjacent third area, which ends at 100% blade height, with rising Schaufelblatthö hey are arranged back to the front edge back.
  • This refinement is based on the finding that the displacement of the stagnation point of a blade profile in the radially inner region of the blade blade is rather narrow-banded, whereas from a blade blade height of about 40% the displacement increases and, moreover, is more on the pressure side. Accordingly, the cooling holes of the at least two rows are shifted in the range of 40% to 100% to the pressure side, wherein preferably at about 75% blade height, the maxima le pressure-side displacement is arranged. Based on a chord length of the airfoil, the value of the maximum pressure displacement is not more than 5% of the blade pitch, but preferably at least 2%.
  • the first distance between the at least two rows of cooling holes along the leading edge vari, so that the first distance for some blade heights is different. With this measure, the local cooling capacity of the turbine blade in the region of the leading edge to the individual temperature load locally adapted to who.
  • a blade profile can be determined for each blade height by a cross-sectional view wel Ches known to have the shape of a curved drop on.
  • Each blade profile therefore has a nose radius in the region of the front edge, wherein the blade profiles at the height of cooling holes have a first distance between the at least two rows whose size is in the range between 0.4 times and 0.7 times the associated nose radius is.
  • the effectiveness of the cooling depends on the distance between the cooling holes under different rows and the curvature of the leading edge, the so-called nose radius and the length of the camber line, the number of blades and the turning of the blade profile.
  • the ers te distance at half blade height is the smallest and increases towards the two ends. The increase is particularly moderate.
  • each measure cooling hole has a coolant flow SETTING sirloin throttle cross-section, wherein the throttle cross-sections of some cooling holes are different sizes.
  • Particularly preferred are the throttle cross-sections of the cooling holes in Be rich half the blade height greater than the throttle cross-section of the cooling holes in half of Schaufelblatthö he far farther.
  • the embodiment in which the at least two rows of cooling holes are arranged on both sides of a medium ren stagnation point line of the incoming hot gas flow.
  • the hot gas flow is divided into a part to the pressure side and flowing to the suction side dividing part on both sides deflected so that due to the two-sided arrangement of the cooling holes, the underlying component wall is particularly efficiently protected from the high Tempe temperatures of the hot gas.
  • the cooling holes of each of the at least two rows near the fußseiti gene end and near the tip end of the blade are further arranged on the suction side as the cooling holes of the corre sponding row at half blade height.
  • the wavy line then extends between these points without any change. tion of the sign of its curvature, so that it is only ge slightly curved. In-depth investigations have shown that this variant represents a more favorable cooling configuration, in particular for guide vanes, since with these vanes the stagnation point displacement occurs at the ends of the blade blade rather than in its center and also towards the suction side.
  • the maximum displacement of the respective cooling holes near the ends of the airfoil is then only ei few millimeters, in particular 2 mm, towards the suction side, ver compared with the position of the cooling holes of the same row at half the blade height, ie at 50% of the blade height.
  • the at least two rows are provided with a further, but shortened row of essentially uniformly spaced cooling holes, the length of the another row between 50% and 60% of the blade height and the further row of cooling holes is arranged substantially centrally between the two ends of the airfoil.
  • the wei tere series is in the meaning of this application as long as in Wesentli chen arranged centrally, as long as it is divided by the half show felblatt Love in two parts whose shorter part is not shorter than 1/3 of the length of the other row.
  • the length of the further row of cooling holes is detected in the same direction as the blade height.
  • Preferred dimensions of the blade is part of a turbine blade, in particular a turbine vane of a sta tionary gas turbine.
  • FIG. 1 is a perspective view of a turbine blade with an inventive blade according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a perspective view of a turbine blade with an inventive blade according to a second embodiment
  • Figure 4 is a perspective view of a Turbinenleit blade with an airfoil according to the invention according to a third embodiment.
  • a turbine blade 10 is shown in perspective view.
  • the turbine blade 10 comprises in succession a substantially fir-tree-shaped blade root 12, to which a hot gas platform 14 adjoins as the end wall.
  • an inventive blade 16 is arranged according to a first embodiment.
  • the airfoil 16 includes known a leading edge 18 and a trailing edge 20, between which a suction side wall 17 and a Drucksei tenwand 19 extends. In a transverse direction, the airfoil 16 extends from a root end 21 at 0% airfoil height to a tip end 23 at 100% airfoil height.
  • two rows Ri, R2 of cooling holes 22 are arranged.
  • the two Rei hen Ri, R2 run along a wavy line with several Wave troughs and wave crests and are arranged on both sides of a mean stagnation point line 24 simultaneously.
  • FIG. A second embodiment of the invention is shown in FIG.
  • a region is rectilinear, followed by a bulbous portion.
  • the two rows Ri, R2 of cooling holes 22 in the ers th, radially inner region are arranged so that they are arranged parallel to the front edge 18 on both sides thereof.
  • This first area Bi extends between 0% and about 40% vane height.
  • a second region B2 is provided. This ends at a blade height of about 75%.
  • the cooling holes 22 of both rows Ri, R2 shift with increasing height in the direction of the pressure side until they have reached the maximum displacement of the leading edge 18 at about 75% blade height.
  • the cooling holes 22 of the two rows Ri, R2 shift back in the direction of the front edge 18.
  • cooling holes 22 are shown only schematically as circles, the throttle cross-sections schematically represented by different sized circles have been.
  • the cooling holes 22 may be film cooling holes having a diffuser-like opening. Their diffuser can even be profiled from designed. Also, on the surface of the blade 16 transversely to be detected distance A between thedelö Chern 22 may be at different blade heights under different sizes.
  • Figure 3 also shows as a blade profile 28 the cross section through the airfoil 16 of the first embodiment shown in FIG 1.
  • the blade profile center line is provided with the reference numeral 30 Be.
  • the vorderst arranged point of the blade profile center line 30 defines the leading edge 18.
  • the stagnation point 25 off the front edge 18 towards the pressure side 19 or towards the suction side 17 may be slightly shifted.
  • the (average) Stagnationspunk te 25 each blade profile section, which can be determined on any show blade heights together form the congestion point line 24.
  • the nose radius is denoted by R.
  • FIG. It shows in perspective a turbine blade configured as a guide blade, wherein the blade root 12 comprises two hook-shaped rails for fastening the blade to a blade carrier (not shown further).
  • a platform 14 is provided for limiting the flow path both at the foot-side end 21 and at the tip-side end 23 of the airfoil. In between, the blade 16 extends along its blade height.
  • the at least two Rei hen Ri, R2 of cooling holes 18 are arranged analogously: starting with the cooling holes on the half blade height are within each row Ri, R2 arranged with decreasing distance to the platforms 14 down cooling holes further suction side.
  • the stagnation dot line 24 is slightly curved without a change in the sign of its curvature.
  • a further, but shortened series of substantially uniformly spaced cooling holes 18 is provided on the pressure side next to the two rows Ri, R2.
  • This further Rei hey R3 is according to this embodiment, centrally between the two platforms 14 and the two ends 21, 23 is arranged and extends only over a length of 55% of the blade height. It is thus shorter than the two rows Ri, R2. If necessary, locally further, unique cooling holes can be provided near the leading edge.
  • the invention relates to an airfoil 16 for ei ne turbine blade 10, comprising a vortex of a hot gas S front edge 18, from which a suction side wall 17 and a pressure side wall 19 extend to a trailing edge 20 of the blade 16, wherein the airfoil 16 in a Transverse direction extends from a foot-side end 21 with a blade height of 0% to a tip-side end 23 with a blade height of 100%, with two arranged along the leading edge rows Ri, R2 of cooling holes 22 to each other a perpendicular to the Vorderkan te 18 to have sensing first distance A.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt (16) für eine Turbinenschaufel, umfassend eine von einem Heißgas (S) anströmbare Vorderkante (18), von der aus sich eine Saugseitenwand (17) und eine Druckseitenwand (19) zu einer Hinterkante (20) des Schaufelblatts (16) erstrecken, wobei das Schaufelblatt (16) in einer Querrichtung dazu sich von einem fußseitigen Ende (21) mit einer Schaufelblatthöhe von 0% zu einem spitzenseitigen Ende (23) mit einer Schaufelblatthöhe von 100% erstreckt, mit zumindest zwei längs der Vorderkante angeordneten Reihen (R1, R2) von Kühllöchern (22), die zueinander einen senkrecht zur Vorderkante zu erfassenden ersten Abstand (A) aufweisen. Um eine Turbinenschaufel bereitzustellen, welche mit vermindertem Kühlaufwand eine weiterhin zuverlässige Kühlung der Vorderkante (18) für unterschiedliche Betriebsbedingungen einsetzbar ist, wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei Reihen (R1, R2) von Kühllöchern (22) zumindest teilweise längs der Vorderkante (18) auf einer Wellenlinie angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Schaufelblatt für eine Turbinenschaufel
Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für eine Turbinen schaufel, umfassend eine von einem Heißgas anströmbare Vor derkante, von der aus sich eine Saugseitenwand und eine
Druckseitenwand zu einer Hinterkante des Schaufelblatts er strecken, wobei das Schaufelblatt in einer Querrichtung dazu sich von einem fußseitigen Ende mit einer Schaufelblatthöhe von 0% zu einem spitzenseitigem Ende mit einer Schaufelblatt höhe von 100% erstreckt, mit zumindest zwei längs der Vorder kante angeordneten Reihen von Kühllöchern, die zueinander ei nen senkrecht zur Vorderkante zu erfassenden ersten Abstand aufweisen .
Eine derartige Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der EP 2 154 333 A2 bekannt. Die in der Vorderkante angeordneten Kühllöcher dienen während des Betriebs einer damit ausgestat teten Gasturbine zur Erzeugung eines kühlenden Schutzfilmes über der Vorderkante, um der ankommenden Heißgasströmung ent gegenwirken. Die Kühllöcher werden deswegen auch als Film kühllöcher bezeichnet, die im Englischen aufgrund ihrer dich ten Anordnung zudem auch als „Shower Head Film Cooling Holes" bekannt sind. Zugleich teilt das Schaufelblatt die anströmen de Heißgasströmung an der Vorderkante in zwei Teilströme auf, von denen der eine Teilstrom entlang der Saugseite des Schau felblatts entlang strömt und der andere Teil entlang der Druckseite. Der Ort der Strömungsaufteilung am Schaufelprofil wird dabei Stagnationspunkt genannt, da im idealisierten Sin ne dort keine Querströmung auftritt. Aus diesem Grund sind im Stand der Technik beidseits der Vorderkante bzw. der vorab ermittelten Stagnationslinie Filmkühllöcher angeordnet, um die dort auftreffende Heißgasströmung nicht in zu engen Kon takt mit der Bauteilwand gelangen zu lassen. Nachteilig ist jedoch, dass der Stagnationspunkt eines Schau felprofils bzw. die Stagnationslinie eines Schaufelblatts von unterschiedlichen Einflussfaktoren abhängig sein kann, so dass der Bedarf besteht, die Turbinenschaufel und dessen Schaufelblatt sowie dessen Vorderkantenkühlung an die unter schiedlichen Betriebsbedingungen bestmöglich anzupassen.
So lehrt die US 2016/0010463 Al bei einer Verschiebung der Stagnationslinie, auf der Druckseite von Laufschaufeln eine zusätzliche Halb-Reihe von Filmkühllöcher auf der radial äu ßeren Hälfte des Schaufelblatts anzuordnen. Die zusätzlichen Filmkühllöcher erhöhen jedoch den Verbrauch an Kühlluft, was sich negativ auf den Wirkungsgrad einer damit ausgestatteten Turbine auswirkt.
Nach der EP 3 043 026 A2 kann eine angepasste Kühlung auch dadurch erreicht werden, dass bei einer vorab ermittelten Verschiebung der Staupunktlinie nicht die Position, sondern lediglich die Neigung einiger Anströmkanten-Filmkühllöcher so gewählt wird, dass diese zur erwarteten lokalen Heißgasströ mung nicht in entgegengesetzter Richtung die Kühlluft ausbla sen, sondern in gleicher Richtung.
Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Schaufelblatt für eine Turbinenschaufel bereitzustellen, welches für unterschiedli che Betriebsbedingungen einer Gasturbine bestmöglich gestal tet ist, insbesondere um bei Einsatz einer vertretbaren Menge an Kühlmittel eine hinreichende Kühlung mit möglichst hoher Lebensdauer des Schaufelblatts zu erzielen.
Diese Aufgabe wird mit einem Schaufelblatt der eingangs ge nannten Art dadurch gelöst, dass die zumindest zwei Reihen von Kühllöchern zumindest teilweise längs der Vorderkante auf einer Wellenlinie angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die tat sächliche Heißgasströmungsrichtung von der zur Auslegung des Schaufelblatts herangezogenen Strömungsrichtung abweichen kann einerseits aufgrund unterschiedlicher Betriebsweisen der Gasturbine. Die Abweichungen können aufgrund einer zur Nenn last veränderten Lastabgabe auftreten. Andererseits wurde er kannt, dass insbesondere bei Laufschaufeln der Stagnations punkt eines Schaufelprofils im Bereich der Vorderkante oszil lieren kann aufgrund von Strömungseffekten, die von einer stromauf der Laufschaufel angeordneten Leitschaufel hervorge rufen werden. Die Oszillation des Stagnationspunktes eines Schaufelprofils führt zu lokal erhöhter Oberflächentemperatur des Schaufelblattes, dem mit der Erfindung wirksam begegnet werden kann.
Um beiden Effekten entgegenzuwirken wird mit der Erfindung nunmehr vorgeschlagen, zumindest zwei Reihen von Kühllöchern im Bereich der Vorderkante vorzusehen, die zumindest teilwei se auf einer gekrümmten Wellenlinie angeordnet sind. Die Kühllöcher sind zur Druckseite bzw. Saugseite hin verschoben, bezogen auf den oszillierenden Stagnationspunkt des betref fenden Schaufelprofils. Während der Designphase wird für je des Schaufelprofil ein Bereich ermittelt, in dem der Stagna tionspunkt auftreten, kann. Jeder dieser Bereiche ist durch zwei Endpunkte definiert, aus denen dann ein mittlerer Stau punkt ermittelbar ist. Anschließend werden die beiden Kühllö cher so positioniert, dass eine bestmögliche Kühlung erreicht wird. Hiermit lässt sich der Kühleffekt lokal optimieren. Durch die Verwendung von lediglich zwei Kühlreihen anstelle von üblicherweise drei oder mehr vollständigen Kühlreihen kann zudem die zur Kühlung erforderliche Menge an Kühlmittel reduziert werden. Der reduzierte Verbrauch an Kühlmittel trägt während des Betriebs der Gasturbine zu dessen Wirkungs gradsteigerung bei.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen. Damit lassen sich weitere Vorteile erzielen. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die zumindest zwei Reihen von Kühllöchern längs der Ge samterstreckung der Vorderkante zwischen 0% und 100% Schau felblatthöhe auf einer Wellenlinie mit mehreren Wellentälern und Wellenbergen angeordnet. Mithin sind die Kühllöcher der zumindest zwei Reihen wiederholt lokal zur Druckseite gering fügig verschoben, verglichen mit Kühllöchern auf einer ande ren Schaufelblatthöhe.
Gemäß einer dazu alternativen Ausgestaltung sind die zumin dest zwei Reihen von Kühllöchern lediglich teilweise längs der Vorderkante auf einer Wellenlinie angeordnet, derart, dass die zumindest zwei Reihen von Kühllöchern in einem ers ten Bereich, welcher zwischen 0% und etwa 40% Schaufelblatt höhe angeordnet ist, im Wesentlichen parallel beidseits der Vorderkante angeordnet sind und in einem sich daran unmittel bar angrenzenden zweiten Bereich, welcher sich zwischen etwa 40% und etwa 75% Schaufelblatthöhe und höher erstreckt, druckseitig verlagert angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Reihen von Kühllöchern in einem sich an den zweiten Be reich unmittelbar angrenzenden dritten Bereich, welcher bei 100% Schaufelblatthöhe endet, mit steigender Schaufelblatthö he wieder zur Vorderkante hin zurückverlagert angeordnet sind .
Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verschiebung des Stagnationspunkts eines Schaufelprofils im radial inneren Bereich des Schaufelblatts eher schmalbandig ist, wohingegen ab einer Schaufelblatthöhe von etwa 40% die Verschiebung zunimmt und überdies eher druckseitig ist. Dem entsprechend sind die Kühllöcher der zumindest zwei Reihen in dem Bereich von 40% bis 100% zur Druckseite hin verschoben, wobei vorzugsweise bei etwa 75% Schaufelblatthöhe die maxima le druckseitige Verschiebung angeordnet ist. Bezogen auf eine Sehnenlänge des Schaufelblatts beträgt der Wert der drucksei tigen Maximalverschiebung nicht mehr als 5% der Schaufelpro filsehnenlänge, minimal vorzugsweise jedoch mindestens 2%. Insofern ergibt sich für die zumindest zwei Reihen an Kühllö chern eine eher geradlinige Ausgestaltung im Bereich von 0% bis 40% Schaufelblatthöhe und eine zur Druckseite hin gewölb te Kontur der Reihen für den Abschnitt zwischen 40% und 100% Schaufelblatthöhe. Insbesondere bei unterschiedlichen Be triebspunkten, beispielsweise bei niedriger Teillast, treten derartige Verschiebungen der Stagnationslinie auf, so dass eine Schaufel, welche für eine besonders flexibel betriebene Gasturbine vorgesehen ist, eine derartige Konfiguration auf weist.
Ergänzend zu den vorgenannten Ausgestaltungen ist es von be sonderem Vorteil, wenn der erste Abstand zwischen den zumin dest zwei Reihen von Kühllöchern längs der Vorderkante vari iert, so dass der erste Abstand für einige Schaufelblatthöhen unterschiedlich groß ist. Mit dieser Maßnahme kann das lokale Kühlvermögen der Turbinenschaufel im Bereich der Vorderkante an die individuelle Temperaturbelastung lokal angepasst wer den .
Selbstverständlich ist für jede Schaufelblatthöhe durch eine Querschnittsbetrachtung ein Schaufelprofil ermittelbar, wel ches bekanntermaßen die Form eines gewölbten Tropfens auf weist. Jedes Schaufelprofil weist mithin im Bereich der Vor derkante einen Nasenradius auf, wobei die Schaufelprofile auf Höhe von Kühllöchern einen ersten Abstand zwischen den zumin dest zwei Reihen aufweisen, dessen Größe im Bereich zwischen dem 0,4-fachen und dem 0,7-fachen des zugehörigen Nasenradius liegt. Eingehende Untersuchungen haben herausgefunden, dass die Wirksamkeit der Kühlung vom Abstand der Kühllöcher unter schiedlicher Reihen und von der Krümmung der Vorderkante, dem sogenannten Nasenradius sowie der Länge der Camberline, der Schaufelzahl und dem Turning des Schaufelprofils abhängt. Es wurde sodann festgestellt, dass eine besonders effiziente Kühlung des Vorderkantenbereichs erzielt werden kann, wenn der erste Abstand zwischen den auf gleicher Schaufelblatthöhe liegenden Kühllöchern unterschiedlicher Reihen im beanspruch ten Intervall liegt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der ers te Abstand auf halber Schaufelblatthöhe am kleinsten und nimmt zu den beiden Enden hin zu. Die Zunahme ist insbesonde re moderat.
Um die Kühlung der Vorderkante für unterschiedliche Schaufel blatthöhen weiter bedarfsgemäß anzupassen, weist bevorzugter maßen jedes Kühlloch einen den Kühlmitteldurchfluss einstel lenden Drosselquerschnitt auf, wobei die Drosselquerschnitte einiger Kühllöcher unterschiedlich groß sind. Besonders be vorzugt sind die Drosselquerschnitte der Kühllöcher im Be reich der halben Schaufelblatthöhe größer als der Drossel querschnitt der Kühllöcher im von der halben Schaufelblatthö he weiter entfernten Bereich.
Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei halber Schaufelblatthöhe und der daran unmittelbar angrenzen den Bereiche ein etwas erhöhter Kühlbedarf vorherrscht als in denjenigen Bereichen der Vorderkante, welche von der halben Schaufelblatthöhe weiter entfernt liegen.
Besonders bevorzugt ist diejenige Ausgestaltung, bei der die zumindest zwei Reihen von Kühllöchern beidseits einer mittle ren Staupunktlinie der ankommenden Heißgasströmung angeordnet sind. An dieser Stelle teilt sich die Heißgasströmung auf in einen zur Druckseite und einen zur Saugseite strömenden An teil aufteilende zu beiden Seiten hin umgelenkt, sodass auf grund der beidseitigen Anordnung der Kühllöcher die darunter liegende Bauteilwand besonders effizient vor den hohen Tempe raturen des Heißgases geschützt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kühllöcher jeder der zumindest zwei Reihen nahe dem fußseiti gen Ende und nahe dem spitzenseitigen Ende des Schaufelblatts weiter saugseitig angeordnet als die Kühllöcher der entspre chenden Reihe auf halber Schaufelblatthöhe. Die Wellenlinie erstreckt sich dann zwischen diesen Punkten ohne eine Ände- rung des Vorzeichens ihrer Krümmung, sodass sie lediglich ge ringfügig gekrümmt ist. Eingehende Untersuchungen zeigten, dass diese Variante insbesondere für Leitschaufein eine güns tigere Kühlkonfiguration darstellt, da bei diesen Schaufeln die Staupunktverschiebung vielmehr an den Enden des Schaufel blatts als in dessen Mitte und zudem zur Saugseite hin auf- tritt. Die maximale Verschiebung der betreffenden Kühllöcher nahe der Enden des Schaufelblatts beträgt dann lediglich ei nige Millimeter, insbesondere 2 mm, zur Saugseite hin, ver glichen mit der Position der Kühllöcher der gleichen Reihe auf halber Schaufelblatthöhe, d.h. bei 50 % der Schaufel blatthöhe .
Je nach Ausgestaltung kann es zudem zur Vermeidung einer lo kalen thermischen Überbelastung der Vorderkante hilfreich sein, wenn bei der vorgenannten Ausgestaltung druckseitig ne ben den zumindest zwei Reihen eine weitere, jedoch verkürzte Reihe von im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Kühllö chern vorgesehen ist, wobei die Länge der weiteren Reihe zwi schen 50% und 60% der Schaufelblatthöhe beträgt und die wei tere Reihe von Kühllöchern im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Enden des Schaufelblatts angeordnet ist. Die wei tere Reihe ist im Sinne dieser Anmeldung solange im Wesentli chen mittig angeordnet, solange diese von der halben Schau felblatthöhe in zwei Teile geteilt ist, deren kürzerer Teil nicht kürzer als 1/3 der Länge der weiteren Reihe ist. Die Länge der weiteren Reihe von Kühllöchern wird in gleicher Richtung wie die Schaufelblatthöhe erfasst.
Bevorzugtermaßen ist das Schaufelblatt Teil einer Turbinen schaufel, insbesondere einer Turbinenleitschaufel einer sta tionären Gasturbine.
Im Folgenden wird nun die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Darin zeigen: Figur 1 in perspektivischer Darstellung eine Turbinenlauf schaufel mit einem erfindungsgemäßen Schaufelblatt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 in perspektivischer Darstellung eine Turbinenlauf schaufel mit einem erfindungsgemäßen Schaufelblatt gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 3 das Schaufelprofil des Schaufelblatts gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel und
Figur 4 in perspektivischer Darstellung eine Turbinenleit schaufel mit einem erfindungsgemäßen Schaufelblatt gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Merkmale jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen sein. Die dargestellten Merkmale und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellung und/oder zum besseren Verständnis im Verhältnis größer dimensioniert dargestellt sein.
In Figur 1 ist in perspektivischer Darstellung eine Turbinen laufschaufel 10 dargestellt. Die Turbinenschaufel 10 umfasst aufeinanderfolgend einen im Wesentlichen tannenbaumförmigen Schaufelfuß 12, an den sich als Endwand eine Heißgasplattform 14 anschließt. An dessen dem Heißgas S zugewandten Oberfläche ist ein erfindungsgemäßes Schaufelblatt 16 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel angeordnet. Das Schaufelblatt 16 umfasst bekanntermaßen eine Vorderkante 18 und eine Hinterkante 20, zwischen denen sich eine Saugseitenwand 17 und eine Drucksei tenwand 19 erstreckt. In einer Querrichtung dazu erstreckt sich das Schaufelblatt 16 von einem fußseitigen Ende 21 bei 0% Schaufelblatthöhe zu einem spitzenseitigen Ende 23 bei 100% Schaufelblatthöhe. Längs der Vorderkante 18 sind zwei Reihen Ri, R2 von Kühllöchern 22 angeordnet. Die beiden Rei hen Ri, R2 verlaufen entlang einer Wellenlinie mit mehreren Wellentälern und Wellenbergen und sind gleichzeitig beidseits einer mittleren Staupunktlinie 24 angeordnet.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt. Anstelle der insgesamt wellenförmigen Anordnung von Kühllöchern 22 in den Reihen Ri, R2 ist hier ein Bereich geradlinig, gefolgt von einem bauchigen Abschnitt. Im Detail sind die beiden Reihen Ri, R2 von Kühllöchern 22 in dem ers ten, radial innenliegenden Bereich so angeordnet, dass sie parallel zur Vorderkante 18 beidseits dieser angeordnet sind. Dieser erste Bereich Bi erstreckt sich zwischen 0% und etwa 40% Schaufelblatthöhe. Daran radial außen anschließend ist ein zweiter Bereich B2 vorgesehen. Dieser endet auf einer Schaufelblatthöhe von etwa 75%. In diesem Bereich verschieben sich die Kühllöcher 22 beider Reihen Ri, R2 mit zunehmender Höhe weiter in Richtung Druckseite, bis sie bei etwa 75% Schaufelblatthöhe die Maximalverschiebung von der Vorderkante 18 weg erreicht haben. In dem sich daran anschließenden drit ten Bereich B3 verlagern sich die Kühllöcher 22 der beiden Reihen Ri, R2 in Richtung der Vorderkante 18 wieder zurück.
Mit Hilfe der beiden dargestellten Ausführungsbeispiele ist es möglich, die Vorderkante 18 der Turbinenschaufel 10 für unterschiedliche Anströmungsbedingungen und unterschiedliche Betriebsweisen anzupassen unter Erreichung einer weiterhin hinreichenden Kühlung der Vorderkante 18 bei moderatem Ein satz von Kühlmittel. Insbesondere durch die Verwendung von lediglich zwei Reihen Ri, R2 an Kühllöchern 22 anstelle von drei Reihen lässt sich der Herstellungsaufwand bei der Turbi nenschaufel 10 signifikant reduzieren. Eine geringere Anzahl von Kühllöchern 22 bedeutet zugleich, dass das Risiko der Risserzeugung gesenkt worden ist. Weiterhin wird die Menge an Kühlmittel, beispielsweise Kühlluft, reduziert, was zur Erhö hung des Turbinenwirkungsgrades beiträgt.
In beiden Figuren sind die Kühllöcher 22 lediglich schema tisch als Kreise dargestellt, wobei deren Drosselquerschnitte durch unterschiedlich große Kreise schematisch dargestellt worden sind. Selbstverständlich kann es sich bei den Kühllö chern 22 um Filmkühllöcher handeln, die eine diffusorartige Öffnung aufweisen. Deren Diffusor kann sogar profiliert aus gestaltet sein. Auch ein auf der Oberfläche des Schaufel blatts 16 quer zu erfassender Abstand A zwischen den Kühllö chern 22 kann auf unterschiedlichen Schaufelblatthöhen unter schiedlich groß sein.
Figur 3 zeigt zudem als ein Schaufelprofil 28 den Querschnitt durch das Schaufelblatt 16 des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1. Zwischen der Saugseitenwand 17 und der Druck seitenwand 19 erstreckt sich mittig einer gedachte Linie, welche als Schaufelprofilmittenlinie oder auch als Camberline bekannt ist. Die Schaufelprofilmittenlinie ist mit dem Be zugszeichen 30 versehen. Der zuvorderst angeordnete Punkt der Schaufelprofilmittenlinie 30 definiert die Vorderkante 18. Je nach tatsächlicher Anströmung bzw. Fehlanströmung des Schau felprofils 28 kann der Stagnationspunkt 25 abseits der Vor derkante 18 hin zur Druckseite 19 oder hin zur Saugseite 17 geringfügig verschoben sein. Die (mittleren) Stagnationspunk te 25 jedes Schaufelprofilschnitts, die auf beliebigen Schau felblatthöhen ermittelbar sind, bilden gemeinsam die Stau punktlinie 24. Der Nasenradius ist mit R bezeichnet.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 4 dargestellt. Sie zeigt perspektivisch eine als Leitschaufel ausgestaltete Turbinenschaufel, wobei der Schaufelfuß 12 zwei hakenförmige Schienen zur Befestigung der Schaufel an einen nicht weiter dargestellten Schaufeiträger umfasst. Im Gegen satz zu der in Figur 1 dargestellten Laufschaufel ist sowohl an dem fußseitigen Ende 21 als auch an dem spitzenseitigen Ende 23 des Schaufelblatts eine Plattform 14 zur Begrenzung des Strömungspfad vorgesehen. Dazwischen erstreckt sich das Schaufelblatt 16 längs seiner Schaufelblatthöhe. Wie detail lierte Untersuchungen gezeigt haben, ist bei derartigen Leit schaufeln die Staupunktlinie 24 zu den Enden 21, 23 des
Schaufelblatts 16 hin zusehends in Richtung der Saugseite verschoben. Dementsprechend sind auch die zumindest zwei Rei hen Ri, R2 von Kühllöchern 18 analog angeordnet: beginnend mit den Kühllöchern auf der halben Schaufelblatthöhe sind in nerhalb jeder Reihe Ri, R2 die mit geringer werdendem Abstand zu den Plattformen 14 hin angeordneten Kühllöcher weiter saugseitig angeordnet. Die Staupunktlinie 24 ist geringfügig gekrümmt, ohne eine Änderung des Vorzeichens ihrer Krümmung. Zudem ist eine weitere, jedoch verkürzte Reihe von im Wesent lichen gleichmäßige beabstandete Kühllöchern 18 druckseitig neben den beiden Reihen Ri, R2 vorgesehen. Diese weitere Rei he R3 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mittig zwischen den beiden Plattformen 14 bzw. den beiden Enden 21, 23 ange ordnet und erstreckt sich lediglich über eine Länge von 55 % der Schaufelblatthöhe. Sie ist somit kürzer als die beiden Reihen Ri, R2. Falls erforderlich, können lokal weitere, ver einzelte Kühllöcher nahe der Vorderkante vorgesehen sein.
Insgesamt betrifft die Erfindung ein Schaufelblatt 16 für ei ne Turbinenschaufel 10, umfassend eine von einem Heißgas S anströmbare Vorderkante 18, von der aus sich eine Saugseiten wand 17 und eine Druckseitenwand 19 zu einer Hinterkante 20 des Schaufelblatts 16 erstrecken, wobei das Schaufelblatt 16 in einer Querrichtung dazu sich von einem fußseitigen Ende 21 mit einer Schaufelblatthöhe von 0% zu einem spitzenseitigen Ende 23 mit einer Schaufelblatthöhe von 100% erstreckt, mit zwei längs der Vorderkante angeordneten Reihen Ri, R2 von Kühllöchern 22, die zueinander einen senkrecht zur Vorderkan te 18 zu erfassenden ersten Abstand A aufweisen. Um eine Tur binenschaufel bereitzustellen, welche mit vermindertem Kühl aufwand eine weiterhin zuverlässige Kühlung der Vorderkante 18 für unterschiedliche Betriebsbedingungen einsetzbar ist, wird vorgeschlagen, dass die beiden Reihen Ri, R2 von Kühllö chern 22 zumindest teilweise längs der Vorderkante 18 auf ei ner Wellenlinie angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Hohles Schaufelblatt (16) für eine Turbinenschaufel, umfassend eine von einem Heißgas (S) anströmbare Vor derkante, von der aus sich eine Saugseitenwand (17) und eine Druckseitenwand (19) zu einer Hinterkante (20) des Schaufelblatts (16) erstrecken, wobei das Schaufelblatt (16) in einer Querrichtung dazu sich von einem fußsei tigen Ende mit einer Schaufelblatthöhe von 0% zu einem spitzenseitigem Ende (23) mit einer Schaufelblatthöhe von 100% erstreckt,
mit zumindest zwei längs der Vorderkante (18) angeord neten Reihen (Ri, R2) von Kühllöchern (22), die zueinan der einen senkrecht zur Vorderkante (18) zu erfassenden ersten Abstand (A) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest zwei Reihen (Ri, R2) von Kühllöchern (22) zumindest teilweise längs der Vorderkante (18) auf ei ner Wellenlinie angeordnet sind.
2. Schaufelblatt nach Anspruch 1,
die beim die zumindest zwei Reihen (Ri, R2) von Kühllö chern (22) längs der Gesamterstreckung der Vorderkante (18) zwischen 0% und 100% Schaufelblatthöhe auf eine Wellenlinie angeordnet sind.
3. Schaufelblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zumindest zwei Reihen (Ri, R2) von Kühllö chern (22) lediglich teilweise längs der Vorderkante (18) auf eine Wellenlinie angeordnet sind, derart, dass die zumindest zwei Reihen (Ri, R2) von Kühllöchern (22) in einem ersten Bereich, welcher zwischen 0% und etwa 40% Schaufelblatthöhe angeordnet ist, im Wesentlichen parallel beidseits der Vorderkante (18) angeordnet sind und in einem sich daran unmittelbar angrenzenden zwei ten Bereich, welcher sich zwischen e
twa 40% und etwa 75% Schaufelblatthöhe erstreckt, druckseitig verlagert angeordnet sind, und wobei die zumindest zwei Reihen (Ri, R2) von Kühllöchern (22) in einem sich an den zweiten Bereich unmittelbar angren zenden dritten Bereich, welcher bei 100% Schaufelblatt höhe endet, mit steigender Schaufelblatthöhe weiter zur Vorderkante (18) hin zurückverlagert angeordnet sind.
4. Schaufelblatt nach Anspruch 3,
bei dem die zumindest zwei Reihen (Ri, R2) an Kühllö chern (22) ab einer Schaufelblatthöhe von 40% zu der Druckseite hin verschoben sind, derart, dass der Punkt der druckseitigen maximalen Verschiebung bei etwa 75% Schaufelblatthöhe oder höher angeordnet ist.
5. Schaufelblatt nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
bei dem die druckseitige maximale Verschiebung von 2% bis 10% einer Schaufelprofilsehnenlänge beträgt, welche dem axialen Abstand zwischen der Vorderkante (18) und der Hinterkante (20) entspricht, erfasst auf der Schau felblatthöhe der maximalen Verschiebung.
6. Schaufelblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Abstand (A) zwischen den zumindest zwei Reihen (Ri, R2) längs der Vorderkante (18) vari iert .
7. Schaufelblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem für jede Schaufelblatthöhe ein Schaufelprofil (28) ermittelbar ist, welches Schaufelprofil (28) im Bereich der Vorderkante (18) einen Nasenradius (R) auf weist, wobei die Schaufelprofile auf Höhe von Kühllö chern (22) einen ersten Abstand (A) zwischen den zumin dest zwei Reihen (Ri, R2) aufweisen, dessen Größe im Be reich zwischen dem 0,4-fachen und dem 0,7-fachen des zugehörigen Nasenradius liegt.
8. Schaufelblatt nach Anspruch 7,
bei dem der erste Abstand (A) auf halber Schaufelblatt höhe am kleinsten ist und zu den beiden Enden hinzu- nimmt .
9. Schaufelblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jedes Kühlloch einen den Kühlmitteldurchfluss einstellenden Drosselquerschnitt aufweist, wobei die Drosselquerschnitte einiger Kühllöcher (22) unter schiedlich groß sind.
10. Schaufelblatt nach Anspruch 7,
bei dem die Drosselquerschnitte der Kühllöcher (22) im Bereich der halben Schaufelblatthöhe größer sind als der Drosselquerschnitt der Kühllöcher (22) im von der halben Schaufelblatthöhe weiter entfernten Bereich.
11. Schaufelblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zumindest zwei Reihen (Ri, R2) von Kühllö chern (22) beidseits einer Staupunktlinie (24) der an- kommenden Heißgasströmung angeordnet sind.
12. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1, 2, 6, 7, 8,
9, 10 oder 11,
bei dem die Wellenlinie (24) ohne eine Änderung des Vorzeichens ihrer Krümmung derart geringfügig gekrümmt ist, dass die Kühllöcher (18) jeder der zumindest zwei Reihen (Ri, R2) sowohl an dem fußseitigen Ende (21) und an dem spitzenseitigen Ende (23) des Schaufelblatts weiter saugseitig angeordnet sind als die Kühllöcher (18) der entsprechenden Reihe (Ri, R2) auf halber Schau felblatthöhe .
13. Schaufelblatt nach Anspruch 12,
bei dem neben den zumindest zwei Reihen (R2, R2) druck seitig benachbart eine weitere Reihe (R3) von Kühllö chern (18) vorgesehen ist, wobei eine Länge der weite ren Reihe (R3) zwischen 50% und 60% der Schaufelblatt höhe beträgt und die weitere Reihe (R3) im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Enden (21, 23) des Schaufel- blatts (16) angeordnet ist.
14. Turbinenschaufel (10) für eine stationäre Gasturbine, umfassend ein Schaufelblatt (16) nach einem der voran- gehenden Ansprüche, vorzugsweise ausgestaltet als Tur binenleitschaufel .
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