EP3199759A1

EP3199759A1 - Turbinenschaufel für eine thermische strömungsmaschine

Info

Publication number: EP3199759A1
Application number: EP16153374.0A
Authority: EP
Inventors: York Mick; Andreas Heselhaus; Robert Kunte; Uwe Paul; Bärbel Pöhler; Marcel SCHLÖSSER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) für eine thermische Strömungsmaschine, mit einem von einem Heißgas umströmbaren Schaufelblatt (14) umfasst, welches eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druckseitige Seitenwand (20), die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse (12) betrachtet sich von einem ersten Ende des Schaufelblatts (14) zu einem diesen gegenüberliegendem zweiten Ende des Schaufelblatts (14) mit einer Länge erstrecken, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Kühlkanal (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23) begrenzt ist und der einen Zugang (34) aufweist, durch den ein Kühlmedium (K) von außerhalb der Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) in den Kühlkanal (28) einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) am Zugang (34) ein Abdeckelement (36) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst. Um diese effizient kühlbar auszugestalten, wird vorgeschlagen, dass das Abdeckelement (36, 136, 236, 336) Mittel umfasst, welche dem in den Kühlkanal (28) einströmbaren Kühlmedium (K) einen Drall aufprägen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt, das eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse sich von einem ersten Ende des Schaufelblatts zu einem diesen gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblatts erstrecken, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Kühlkanal vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen begrenzt ist, von denen zumindest eine als erste Seitenwandinnenfläche zumindest teilweise die Innenseite einer der beiden Seitenwände ist, und der einen Zugang aufweist, durch den ein Kühlmedium von außerhalb der Turbinenschaufel in den Kühlkanal einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel am Zugang ein Abdeckelement mit zumindest einer Öffnung umfasst.
Eine dementsprechende Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der WO 2009/153108 A2 bekannt. Bei der bekannten Turbinenleitschaufel ist am Eingang des Kühlluftkanals ein Drosselblech vorgesehen, welches die Menge des in das Innere der Turbinenschaufel einströmenden Kühlmediums reduziert. Im bekannten Abdeckblech sind zwei Löcher vorgesehen, deren Position wahlfrei erscheint.
Aufgrund der wahlfreien Positionierung der Löcher können jedoch Strömungsverluste und geringere Kühlleistungen auftreten, was ungewünscht ist. Bisher wurde dieses Problem jedoch noch nicht berücksichtigt, weswegen die hier vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen soll.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel, deren Abdeckplatte eine verbesserte Kühlung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Abdeckelement Mittel umfasst, welche dem in den Kühlkanal einströmbaren Kühlmedium einen Drall aufprägen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Einführung einer zusätzlichen Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung eine Wärmeübergangssteigerung bezogen auf ein rein parralel zur Längsachse des Kühlkanals strömendes Kühlmedium ermöglicht wird, so dass das Kühlmedium effizienter die den Kühlkanal umgebende Wand kühlen kann. Dies wird nachfolgend als Zyklonkühlung bezeichnet.
Um eine bereits im Einströmbereich des Kühlkanals hinreichende Kühlung zu erzeugen, wird vorgeschlagen, dass die in der Regel als Abdeckelement an einem Zugang des Kühlkanals ausgebildeten Bleche Mittel zur Erzeugung eines Dralls des im Kühlkanals strömbaren Kühlmediums aufweisen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Abdeckelement als Mittel zur Erzeugung eines Dralls einen Drallerzeuger, vorzugsweise in Form einer Trommel, in dem - bezogen auf eine Mittelachse des Drallerzeugers - zumindest eine, vorzugsweise mehrere tangential orientierte Einstrompassagen längs des Umfangs des Drallerzeugers verteilt vorgesehen sind. Aufgrund der tangential orientierten Einstrompassagen strömt dann von außen (oder von innen) in den Drallerzeuger ein Kühlmedium ein (bzw. aus), welches im inneren (bzw. außerhalb) des Drallerzeugers eine schraubenförmige Strömung hervorrufen. Die schraubenförmige Strömung strömt dann in konzentrischen Kreisen um die neutrale Sehne des Kühlkanals, so dass sich im besagten
Kühlkanal, welcher sich an den Drallerzeuger anschließt, die drallförmige Strömung mit einer zusätzlichen Geschindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zur Wärmeübergangssteigerung ausbreiten kann.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Abdeckelement als Mittel zur Erzeugung des Dralls Leitelemente aufweisen, die dem durch die Öffnungen einströmenden Kühlmedium eine in Umfangsrichtung orientierte Strömungskomponente aufprägen. Auch hierdurch lässt sich eine drallbehaftete Strömung im Inneren des Kühlkanals gewährleisten.
Weiter bevorzugt kann sich das Abdeckelement teilweise in den Kühlkanal hinein erstrecken. In diesem Fall kann das Abdeckelement vorzugsweise einen rohrförmigen Abschnitt umfassen, in dem Prallkühlöffnungen vorgesehen sind. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsvariante ist die den Kühlkanal umgebende Wand stromauf prallkühlbar und stromab durch die drallbehaftete Kühlung, welche auch als Zyklonkühlung bezeichnet werden kann, kühlbar.
Zweckmäßiger Weise kann die Turbinenschaufel sowohl als Leitschaufel als auch als Laufschaufel ausgebildet sein. Ausgebildet als Laufschaufel ist das Abdeckelement an einer Unterseite des zumeist tannenbaum- oder schwalbenschwanzförmigen Laufschaufelfußes angebracht.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden nachfolgend mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Hierbei sind die Figuren lediglich schematisch dargestellt, wodurch insbesondere keine Einschränkung der Ausführbarkeit der Erfindung die Folge ist. Es zeigen:

Figur 1: eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, ausgestaltet als Leitschaufel in einer teilgeschnittenen perspektivischen Darstellung,
Figur 2: einen schematischen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel mit einem Kühlkanal und einem daran angeordneten Abdeckelement gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 3: einen Querschnitt durch einen Drallerzeuger gemäß Figur 2,
Figur 4: den schematischen Längsschnitt gemäß Figur 2 mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abdeckelements,
Figur 5: den schematischen Längsschnitt gemäß Figur 2 mit einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abdeckelements und
Figur 6: einen Querschnitt durch einen weiteren Drallerzeuger.

In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 umfasst entlang einer virtuellen Längsachse 12 aufeinanderfolgend einen Befestigungsabschnitt 18, eine Plattform 16 sowie ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 14. Das Schaufelblatt 14 umfasst zwei Seitenwände 20, 22, von denen die erste druckseitig (20) und die zweite saugseitig (22) angeordnet ist. Die Seitenwände 20, 22 erstrecken sich von einer gemeinsamen in Figur 1 nicht dargestellten Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante 24. Das Schaufelblatt 14 ist - wie die Lage der Schnittebene es verdeutlicht - hohl ausgebildet. Dieser Hohlraum wird auch als Kühlkanal 28 bezeichnet und weist zumindest einen Zugang 34 auf. Der Zugang 34 liegt an dem einen der beiden Enden 32 des Schaufelblatts 14.
Von den beiden Enden des Schaufelblatts ist lediglich ein Ende in Figur 1 dargestellt.
Wenn die Turbinenschaufel 10 - wie dargestellt - als Leitschaufel ausgestaltet ist, weist das Schaufelblatt 14 zumeist an beiden seiner Enden 32 eine sich quer dazu erstreckende Plattform 16 auf. Bei Laufschaufeln mit so genannten Deckbändern gilt dies ebenso. Allein freistehende Turbinenschaufeln weisen lediglich an einem ihrer beiden Schaufelblatt-Enden eine Plattform auf, wobei in einer Turbine freistehende Leitschaufel eher untypisch und freistehende eher Laufschaufeln gängig sind. Gängig sind freistehende Laufschaufeln. Bezogen auf die Einbaulage in einer beispielweise axial durchströmbaren Gasturbine spricht man in der Regel von einer inneren Plattform und einer äußeren Plattform, bezogen auf die Maschinenachse der Gasturbine. Dann steht auch die Längsachse 12 senkrecht auf der Maschinenachse. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Plattform 16 radial außen angeordnet.
Der Zugang 34 ist durch ein am Schaufelblatt 14 befestigtes Abdeckelement 36 zwar vollständig abgedeckt, jedoch nur teilweise verschlossen, da im Abdeckelement 36 mehrere Öffnungen 38 vorgesehen sind. Das Abdeckelement 36 ist an der restlichen Turbinenschaufel, dem gegossenen Schaufelgrundkörper, in konventioneller Weise befestigt, beispielsweise durch eine Schweißverbindung.
Beim Betrieb einer mit der gezeigten Turbinenschaufel 10 ausgestatteten Gasturbine strömt das Heißgas der Gasturbine von der Vorderkante zur Hinterkante 24. Damit das Schaufelblatt 14 den heißen Temperaturen standhalten kann, ist das Schaufelblatt 14 innen gekühlt. Dazu wird der Turbinenschaufel 10 über die Öffnungen 38 Kühlluft zugeführt, welche längs des Kühlkanals 28 die Seitenwände 20, 22 kühlend strömt. Vom Kühlkanal 28 aus strömt die Kühlluft durch nicht gezeigte weitere Kühlkanäle zu an der Hinterkante 24 angeordneten Austrittsöffnungen 40, an denen die Kühlluft die Turbinenschaufel 10 verlässt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Austrittsöffnungen 40 als sog. "Cut-Back-Öffnungen" ausgestaltet. Dies ist jedoch für die Erfindung unerheblich. Sie könnten auch alternativ als mittige Austrittsöffnungen an der Hinterkante 24 angeordnet sein.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die vier Öffnungen 38 zwar als Bohrungen ausgeführt, jedoch erstrecken sich deren Längsachsen nicht senkrecht zur ebenen Oberfläche 37 des Abdeckelements 36. Vielmehr sind die Bohrungsachsen der Öffnungen 38 derartig geneigt, dass diese jeweils eine tangentiale Komponente für das einströmende Kühlmedium K bereitstellen, so dass sich im Kühlkanal 28 eine Strömung ausbilden kann, die drallbehaftet ist: das im Kühlkanal 28 strömende Kühlmedium K strömt quasi auf einer oder mehreren Schraubenlinien um die neutrale Sehne des Kühlkanals, welche im Flächenschwerpunkt des Querschnitts des Kühlkanals liegt.
Mithin sind als Mittel zur Erzeugung eines Dralls die Öffnungen 38 derart gegenüber der Abdeckelementsenkrechten geneigt, dass sie dem einströmenden Kühlmedium K den Drall aufprägen. Weiterhin könnten zusätzlich oder alternativ zu den geneigten Öffnungen 38 an der dem Kühlkanal 28 zugewandten Fläche des Abdeckelements 39 Leitelemente vorgesehen sein, die beispielsweise gegenüber einer Flächensenkrechten geneigt sind.
Figur 2 zeigt den zugangsseitigen Bereich des Kühlkanals 28 einer alternativen Turbinenschaufel 110 in einer weiter schematisierten Darstellung. In Analogie zu der aus Figur 1 bekannten Turbinenschaufel 10 ist der Kühlkanal 28 durch Innenflächen 21, 23 begrenzt, die Teil von den Seitenwänden 20 bzw. 22 sind. Der Zugang 34 des Kühlkanals 28 ist durch ein Abdeckelement 136 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel abgedeckt. Das Abdeckelement 136 ist zylinderhutförmig ausgestaltet und weist dadurch einen kragenförmigen Ring 137 auf, an dessen Innendurchmesser ein Drallerzeuger 139 vorgesehen ist. Der Drallerzeuger 139 ist in Form einer Trommel und erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel nicht in den Kühlkanal 28 hinein, sondern ragt nach außen. Am äußeren Ende des Drallerzeugers 139 ist ein Deckel 140 vorgesehen. Im kragenförmigen Ring 137 sind ebenfalls Öffnungen 138 vorgesehen.
Figur 3 zeigt den Querschnitt durch den Drallerzeuger 139 entlang der Schnittlinie III-III. Der Drallerzeuger 139 ist im Inneren hohl ausgestaltet und weist einen Außendurchmesser d_a auf, der vergleichsweise groß gegenüber seinem Innendurchmesser d_i ist. Dadurch ist der Drallerzeuger 139 vergleichsweise dickwandig ausgeführt. Durch die Wand des Drallerzeugers 139 erstrecken sich zwei Einströmpassagen 143, die in Bezug auf eine Mittelachse 44 des Drallerzeugers 139 tangential ausgerichtet sind. Jede Einströmpassage 143 kann auch als Bohrungsreihe oder als Schlitz ausgeführt sein.
Im Betrieb wird der Turbinenschaufel 110 das Kühlmedium K von außen zugeführt. Dieses strömt durch die Einströmpassagen 143 seitlich in den Drallerzeuger 139 ein. Aufgrund der vergleichsweise dickwandigen Ausführung wird das durch die Einströmpassagen 143 geführte Kühlmedium K gerichtet in das Innere des Drallerzeugers 139 eingeleitet. Dieses strömt darin mit einem um die Mittelachse 44 gerichteten Drall weiter. Anschließend strömt das Kühlmedium - weiterhin drallbehaftet - in den Kühlkanal 28 ein, wo es die Innenflächen 21, 23 der Seitenwände 20, 22 und damit das Schaufelblatt 14 kühlt.
Gemäß der Darstellung in Figuren 2 und 3 sind der Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des Abdeckelements 136 folgende Parameter zu entnehmen:

ein mittlere Kanalhöhe B_K als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittelachse senkrechten Abstands der beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23,
eine axiale Länge H_S des Drallerzeuger 139, erfasst als axialer Abstand zwischen seinem Deckel 140 und dem kragenförmigen Ring 137,
die Wandstärke WS des Abdeckelements 136,
ein erster Abstand b₁ als projizierter (senkrechter) Abstand der Außenwand des Drallerzeugers 139 von den Innenflächen 21, 23,
ein erster Durchmesser d₁ als Durchmesser derjenigen, im kragenförmigen Ring 137 angeordneten Öffnungen 138, die in Bezug auf die Mittelachse 44 - am weitesten außen angeordnet sind,
ein zweiter Durchmesser d_x1 als Durchmesser derjenigen, im kragenförmigen Ring 137 angeordneten Öffnungen 138, die weiter innen - in Bezug auf die Mittelachse 44 - angeordnet sind,
ein zweiter Abstand t₁ als Abstand zwischen der zu kühlenden Innenfläche 21, 23 und der Mitte der zuäußerst angeordneten Öffnung 138,
ein dritter Abstand t_x1 als Abstand zwischen der zuäußerst angeordneten Öffnung 138 und der nächstinneren Öffnung 138,
ein dritter Durchmesser d_a als äußerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
ein vierter Durchmesser d_i als innerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
eine Exzentrizität e als Abstand zwischen der Mittelachse 44 des Drallerzeugers 139 und der betreffenden Einströmpassage 143 und
eine Einströmfläche A_In als Summe der Einströmquerschnitte aller Einströmpassagen 143.

Da üblicherweise die Stärke der Seitenwände 20, 22 aufgrund von strukturmechanischen Anforderungen vorgegeben und auch der Krümmungsverlauf der Seitenwände 20, 22 durch die aerodynamischen Anforderungen an das Schaufelblatt 14 vorbestimmt werden, ergibt sich für die mittlere Kanalhöhe B_K ein vorgegebener Wert.
So kann der Wert für die mittlere Kanalhöhe B_K beispielsweise zwischen 1 cm und 4 cm und für die Wandstärke WS des Abdeckelements 136 beispielsweise zwischen 0.5 mm und 2 mm liegen.

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 10 mit einer reinen Zyklonkühlung mit mittelmäßiger Kühlwirkung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen:

Tab. 1 Generelle Anforderung für eine Turbinenschaufel mit einer Zyklonkühlung

Generelle Anforderungen für die Zyklonkühlung
B_K	vorgegeben	WS	vorgegeben
A_in	abhängig vom Kühlmassenstrom	d_i	abhängig vom Kühlmassenstrom
e	= 0.5·d_i	d_a	≤ 1·B_K
d₁	≤ (b₂ - WS)	t₁	≥ 0.5·d₁
d_xi	≤ (b₂ - WS)	t_xi	≥ 0.5·dxi
H_s	abhängig von A_In	b₁	≤ 0.15·B_K

Selbstverständlich sind ebenso Varianten an Abdeckelementen 36 denkbar, bei denen im kragenförmigen Ring 137 Öffnungen 138 fehlen. Dies gilt insbesondere für Varianten, bei denen der erste Abstand b₁ gleich Null gewählt wird. Gleichfalls können die Öffnungen 138 ebenso angestellt sein wie die Öffnungen 38 des ersten Ausführungsbeispiels, um die Zyklonwirkung des Drallerzeugers 139 weiter zu unterstützen.

Für eine vergleichsweise schwach zyklongekühlte Turbinenschaufel 110 sollten deren Parameter den in der Tabelle 2 genannten Werten bzw. Bedingungen entsprechen:

Tab. 2 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer schwachen Zyklonkühlung

Schwache Zyklonkühlung
B_K	vorgegeben	WS	vorgegeben
A_in	abhängig vom Kühlmassenstrom	d_i	abhängig vom Kühlmassenstrom
e	= 0.5·d_i	d_a	≤ 0.5·B_K
d₁	= 1 mm	t₁	≥ 0.5·d₁ + 1·WS
d_xi	= 0 (nur eine Öffnungsreihe)	t_xi	= 0 (nur eine Öffnungsreihe)
H_S	= 5·WS	b₁	= 0.15·B_K

Für eine vergleichsweise stark zyklongekühlte Turbinenschaufel 110 sollten die Parameter den in der Tabelle 3 genannten Werten bzw. Bedingungen entsprechen:

Tab. 3 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer starken Zyklonkühlung

Starke Zyklonkühlung
B_K	vorgegeben	WS	vorgegeben
A_in	abhängig vom Kühlmassenstrom	d_i	abhängig vom Kühlmassenstrom
e	= 0.5·d_i	d_a	≤ 0.7·B_K
d₁	≤ 0.10·B_K	t₁	≥ 0.5·d₁ + 1·WS
d_xi	< 0.05·B_K	t_xi	≥ 1·d_xi
H_S	= 8·WS	b₁	= 0.25·B_K

Figur 4 zeigt eine dritte Turbinenschaufel 210 mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines Abdeckelements 236. Nachfolgend werden jedoch nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert.
Das Abdeckelement 236 ist derart ausgestaltet ist, dass dieses neben einer Zyklonkühlung zusätzlich eine teilweise Prallkühlung des Kühlkanals bzw. der Innenflächen 21, 23 ermöglicht. Dazu ist das Abdeckelement 236 als - verglichen mit der Länge des Kühlkanals - verkürzter Prallkühleinsatz mit einem rohrförmigen Abschnitt 245 ausgebildet. Im rohrförmigen Abschnitt 245 sind Prallkühlöffnungen 247 vorgesehen, wobei der rohrförmige Abschnitt 245 im Querschnitt betrachtet vorzugsweise nicht kreisrund ist, sondern der Querschnittskontur des zumeist trapezförmigen Kühlkanals 28 ähnelt. Mithin weist der rohrförmigen Abschnitt 245 ein einströmseitiges Ende 34 mit einem gegenüberliegenden Boden 249 auf. Der Drallerzeuger 139 ist über eine Tragwand 251 an dem Boden 249 befestigt. Um ein flachbauendes Abdeckelement 36 zu erhalten, überlappen sich der rohrförmige Abschnitt 245 und der Drallerzeuger 139. Ggf. sind im Boden 249 auch den Drall unterstützende Öffnungen 38 angeordnet.
Mithin wird während des Betriebs das Schaufelblatt 14 in einem ersten Abschnitt D prallgekühlt und in einem zweiten Abschnitt M zyklongekühlt.
Ein viertes Ausführungsbeispiel eines Abdeckelements 336 in Form eines kombinierten Prallkühleinsatzes mit einem Drallerzeuger 339 ist in Figur 5 dargestellt, bei der der Drallerzeuger 339 und der rohrförmige Abschnitt 245 für die Prallkühlung in Bezug auf die Längsachse des Kühlkanals 28, nicht wie in Figur 4 überlappend, sondern axial zueinander versetzt angeordnet sind.
Abschließend zeigt Figur 6 einen alternativen Drallerzeuger 339. Der Drallerzeuger 339 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst acht geradlinige Einströmpassagen 343, die in Bezug auf die Mittelachse 44 und dem dritten Durchmesser d_a wie eine Sekante angeordnet ist. Jede Einströmpassage 343 kann dabei als eine einzige Bohrung, als eine Reihe von Bohrungen oder als Schlitz ausgestaltet sein.
Aufgrund der zueinander versetzten Anordnung wird der Drallerzeuger 339 in umgekehrter Richtung - in Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel - durchströmt. Insofern ist die vom inneren, vierten Durchmesser d_i definierte Fläche des Drallerzeugers 339 die Einströmfläche A_In für das Kühlmedium K.
Gemäß den Darstellungen der Figuren 4 und 5 sind den Anordnungen gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiels des Abdeckelements 236, 336 folgende Parameter zu entnehmen:

ein mittlere Kanalhöhe B_K als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittelachse senkrechten Abstands der beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23,
eine axiale Länge H_s des Drallerzeuger 139,
die Wandstärke WS des Abdeckelements 36,
eine Exzentrizität e als Abstand zwischen der Mittelachse 44 des Drallerzeugers 339 und der betreffenden Einströmpassage 143 bzw. Ausströmpassage 343,
ein dritter Durchmesser d_a als äußerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
ein vierter Durchmesser d_i als innerer Durchmesser des Drallerzeugers 139,
eine Einströmfläche A_In als Summe der Einströmquerschnitte aller Einströmpassagen 143 (nur für das dritte Ausführungsbeispiel) bzw. als Einströmquerschnitt des vierten Durchmessers d_i (nur für das vierte Ausführungsbeispiel),
ein Durchmesser d der Prallkühlöffnungen 247,
Prallkühllänge H des rohrförmigen Abschnitts 245, erfasst zwischen dem Zugang 34 und seinem Boden 249,
ein vierter Abstand h₁ als Abstand zwischen dem Boden 249 und der daran nächstliegenden Reihe an Prallkühlöffnungen 247,
ein fünfter Abstand h_xi als Abstand zwischen zwei Reihen von Prallkühlöffnungen 247 sowie
ein sechster Abstand z als Abstand zwischen der Innenfläche 21, 23 und dem rohrförmigen Abschnitt 245,
ein siebter Abstand b als projizierter (senkrechter) Abstand der Prallkühleinsatzes zur Tragwand 251,
eine Länge h_s2 als axiale Länge der Tragwand 251 (nur für das dritte Ausführungsbeispiel) und
eine Länge h_s3 als axiale Länge der Tragwand 351 (nur für das vierte Ausführungsbeispiel).

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 210, 310 mit einer Prall- und Zyklonkühlung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen:

Tab. 4 Generelle Anforderung für Turbinenschaufeln mit Zyklon- und Prallkühlung

Für den Prallkühlabschnitt D		Für den Zyklonkühlabschnitt M
WS	vorgegeben	B_K	vorgegeben
d	0.8 mm < d < 1.6 mm	A_in	abhängig vom Kühlmassenstrom
H	≥ 2·d	H_S	abhängig von A_In
h₁	> 1·d	b	0.15·B_K ≤ b₁ ≤ 0.25·B_K
h_xi	≥ 1·d	e	= 0.5·d_i
z	z/d < 4.5	d_i	abhängig vom Kühlmassenstrom
		d_a	≤ 0.7·B_K
		h_s2	0 ≤ h_s2 ≤ (H-H_s)
		h_s3	0 ≤ h_s3 ≤ 2·H

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 210, 310 mit einer vergleichsweise schwachen Prall- und Zyklonkühlung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen:

Tab. 5 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer schwachen Zyklon- und Prallkühlung

Für den Prallkühlabschnitt D		Für den Zyklonkühlabschnitt M
WS	vorgegeben	B_K	vorgegeben
d	= 1.0 mm	A_in	abhängig vom Kühlmassenstrom
H	= 3 d	H_S	abhängig von A_In
h₁	≥ 1·d	b	= 0.25·B_K
h_xi	≥ 0 (nur eine Reihe)	e	= 0.5·d_i
z	z/d < 4.5	d_i	abhängig vom Kühlmassenstrom
		d_a	≤ 0.5·B_K
		h_s2	= 0
		h_s3	= 0

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Turbinenschaufel 210, 310 mit einer vergleichsweise starken Prall- und Zyklonkühlung bereitgestellt werden kann, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen:

Tab. 6 Beispiel für eine Turbinenschaufel mit einer schwachen Zyklon-und Prallkühlung

Für den Prallkühlabschnitt D		Für den Zyklonkühlabschnitt M
WS	vorgegeben	B_K	vorgegeben
d	= 0.8 mm	A_in	abhängig vom Kühlmassenstrom
H	= 10 d	H_S	abhängig von A_In
h₁	≥ 1 d	b	= 0.15·B_K
h_xi	≥ 1 d	e	= 0.5·d_i
z	z/d < 1.5	d_i	abhängig vom Kühlmassenstrom
		d_a	≤ 0.7·B_K
		h_s2	= H-H_S
		h_s3	= 1.5·H

Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das jeweilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter "ein" bzw. "eine" nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmte Artikel zu verstehen.
Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden, soweit diese Kombination, die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben lösen kann. Andere Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung eröffnen sich dem Fachmann zudem anhand der Unteransprüche, welche ebenfalls mit den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen kombiniert werden können.

Claims

Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) für eine thermische Strömungsmaschine,
mit einem von einem Heißgas umströmbaren Schaufelblatt (14),
welches eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druckseitige Seitenwand (20) umfasst, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse (12) sich von einem ersten Ende des Schaufelblatts (14) zu einem diesen gegenüberliegendem zweiten Ende des Schaufelblatts (14) mit einer Länge erstrecken,
wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Kühlkanal (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23) begrenzt ist und der einen Zugang (34) aufweist, durch den ein Kühlmedium (K) von außerhalb der Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) in den Kühlkanal (28) einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) am Zugang (34) ein Abdeckelement (36) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abdeckelement (36, 136, 236, 336) Mittel umfasst, welche dem in den Kühlkanal (28) einströmbaren Kühlmedium (K) einen Drall aufprägen.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 1,
bei der das Abdeckelement (36, 136, 236, 336) als Mittel zur Erzeugung eines Dralls einen Drallerzeuger (39, 139, 336) in Form einer Trommel umfasst, in dem - bezogen auf seine Mittelachse (44) - zumindest eine tangential orientierte Einströmpassage (143) vorgesehen ist.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 2,
bei der das Abdeckelement (136) zumindest teilweise zylinderhutförmig ausgebildet ist.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das Abdeckelement als Mittel zur Erzeugung eines Dralls Leitelemente aufweist.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der das Abdeckelement (236, 336) sich teilweise in den Kühlkanal (28) hinein erstreckt.
Turbinenschaufel (10, 110, 210, 310) nach Anspruch 5,
bei der das Abdeckelement (236, 336) einen rohrförmigen Abschnitt (245) umfasst, in dem Prallkühlöffnungen (247) vorgesehen sind.