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EP2599957A1 - Kühlrippensystem für einen Kühlkanal einer Turbinenschaufel - Google Patents

Kühlrippensystem für einen Kühlkanal einer Turbinenschaufel Download PDF

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EP2599957A1
EP2599957A1 EP11189911.8A EP11189911A EP2599957A1 EP 2599957 A1 EP2599957 A1 EP 2599957A1 EP 11189911 A EP11189911 A EP 11189911A EP 2599957 A1 EP2599957 A1 EP 2599957A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
cooling fin
rib
fin system
turbine blade
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.)
Withdrawn
Application number
EP11189911.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Eifel
Daniel Gloss
Andreas Heselhaus
Stephan Klumpp
Marco Link
Uwe Sieber
Stefan Völker
Michael Wagner
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
Priority to EP11189911.8A priority Critical patent/EP2599957A1/de
Priority to PCT/EP2012/073158 priority patent/WO2013076110A1/de
Publication of EP2599957A1 publication Critical patent/EP2599957A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
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    • F05D2240/127—Vortex generators, turbulators, or the like, for mixing
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    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to a cooling rib system for a cooling channel of a turbine blade.
  • a gas turbine has a turbine in which hot gas, which has previously been compressed in a compressor and heated to a combustion chamber, is depressurized for work recovery.
  • the turbine is designed in Axialbauweise, wherein the turbine is formed by a plurality of successively arranged in the flow direction blade rings.
  • the blade rings have circumferentially disposed blades and vanes, the blades being mounted on a rotor of the gas turbine and the vanes secured to the housing of the gas turbine.
  • thermodynamic efficiency of the gas turbine is the higher, the higher the inlet temperature of the hot gas into the turbine.
  • thermal load capacity of the turbine blades there are limits with regard to the thermal load capacity of the turbine blades.
  • corresponding materials and material combinations are available for the turbine blades, which, however, according to the current state of the art, only allow an insufficient expansion of the potential for increasing the thermal efficiency of the gas turbine.
  • the turbine blade It is known to make the turbine blade hollow, wherein the interior of the turbine blade serves as a cooling passage through which cooling fluid flows during operation of the gas turbine.
  • the cooling fluid is air drawn from the compressor.
  • convection removes heat from the turbine blade, thereby reducing the contact temperature at the surface of the turbine blade.
  • the thermal load of the turbine blade is reduced, whereby the hot gas temperature can be increased accordingly, without the thermal load of the turbine blade is unacceptably high.
  • the object of the invention is to provide a cooling fin system for a cooling channel of a turbine blade, wherein the turbine blade is effectively cooled with the cooling fin system.
  • the cooling fin system according to the invention for a cooling channel of a turbine blade has at least one cooling rib which is arranged on the blade inner side of the cooling channel projecting therefrom, so that the cooling rib has flowing transversely through cooling fluid flowing in the cooling channel, wherein the cooling rib has a downstream rear side in such a profiled manner towards the inner side of the blade, that the flow of cooling fluid during the operation of the turbine blade passes through the rear side without a release.
  • the turbine bucket has the cooling passage in which the cooling fluid for cooling the turbine bucket flows during operation thereof, whereby the turbine bucket is cooled by the cooling fluid.
  • This can be relaxed with the turbine blade hot gas at such a high temperature, without the Cooling would lead to an impermissibly high thermal load on the turbine blade.
  • the cooling of the turbine blade via convection by means of the cooling fluid, whereby the Konvetations Sab is increased by the provision of the cooling fin. Due to the fact that the cooling fluid flows off from the cooling rib at the rear without being detached, the flow resistance induced by the cooling rib is less than if the cooling rib had been provided with, for example, a rectangular cross section.
  • the cooling fluid would detach downstream and form a separation region, which leads to high pressure losses.
  • these pressure losses are so high that an intake of the hot gas into the cooling channel, for example through cooling air bores provided in the turbine blade, occurs, as a result of which the cooling of the turbine blade is interrupted.
  • the turbine blade would be subject to intense heating. In general, this heating of the turbine blade is so extreme that this leads to an unduly high thermal load on the turbine blade, whereby the turbine blade is destroyed.
  • cooling fin according to the invention in the cooling channel whose rear side is designed so that the cooling fluid flow can flow off during the operation of the turbine blade free of charge, whereby any pressure losses in the cooling fluid flow are low. This advantageously prevents the possible entry of the hot gas into the cooling channel during operation of the turbine blade.
  • the profiling of the rear side of the cooling rib according to the invention has virtually no influence on the quality of the cooling of the cooling rib in the cooling duct compared with FIG for example, a rectangular cross-section having cooling rib.
  • the inventive cooling rib system provides effective cooling of the turbine blade, wherein For example, the collection of the hot gas is advantageously prevented in the cooling channel.
  • the cooling rib preferably has a front side facing away from the rear side, which protrudes perpendicularly from the blade inner side.
  • the plateau is arranged parallel to the blade inner side, so that the edge formed by the front side and the plateau has a right angle.
  • the trailing edge is ramped, in particular rectilinear and / or convex and concave contours formed.
  • a plurality of dimples is preferably provided, which are dimensioned and distributed such that the dents act as turbulators during operation of the turbine blade for the cooling fluid flow.
  • the degree of turbulence of the boundary layer of the cooling fluid flow at the rear side is increased.
  • the flow of the cooling fluid at the rear side tends less to detach, whereby the rear side may tend to be formed steeper sloping towards the blade inner side.
  • the extension of the cooling fin and thus their use of material is reduced.
  • the turbulent boundary layer in the cooling fluid flow at the rear the heat transfer from the cooling fin to the cooling fluid is improved.
  • a recirculation area would be formed downstream of which a rebound cooling effect locally increases the heat transfer from the blade inner side to the cooling fluid in the area of the restarting. This effect, which would be lost by the free flow of the cooling fluid at the rear of the inventive fin equipped, is substantially compensated by the increase of the degree of turbulence of the boundary layer flow by means of the dimples.
  • the cooling fin is preferably swept, i. obliquely to the direction of flow, arranged. Furthermore, the cooling rib is preferably arranged in such a swept manner that a component can be generated in the cooling fluid flow from the trailing edge to the leading edge of the turbine blade.
  • the temperature of the hot gas in the region of the trailing edge of the turbine blade tends to be lower than in the region of the leading edge. Due to the fact that the flow component of the cooling fluid from the trailing edge to the leading edge during operation of the turbine blade arises with the sweep of the cooling rib, the cooling rib system for the turbine blade acts more or less like a countercurrent heat exchanger.
  • the cooling rib preferably has laterally in each case one lateral flank delimiting the cooling rib, wherein the first side flank facing the inflow of the cooling fluid with the front side in the plan view of the cooling fin has a point angle and / or the second side flank facing away from the inflow of the cooling fluid with the front side in plan view the cooling fin forms a right angle.
  • the cooling system has at least two cooling ribs which are arranged next to one another in a row. In this case, it is preferred that the cooling ribs are arranged at a distance from each other, so that in each case a gap is formed between the cooling ribs, which passes through the cooling fluid flow during operation of the turbine blade.
  • the cooling fin system preferably has a plurality of rows formed by the cooling fins, wherein the rows are arranged one behind the other.
  • the cooling fins are preferably arranged in the rows such that the cooling fins are in gap with their gaps in between.
  • the fact that the rows are formed by the cooling fins are provided with the gaps the relative to the flow resistance of the cooling fins is reduced, whereby the pressure loss induced by the cooling fins is additionally lowered. Further, by providing the gaps, the degree of turbulence of the cooling fluid flow is increased, thereby additionally increasing the heat transfer from the cooling fins to the cooling fluid.
  • FIGS. 4 and 5 a section of a turbine blade 1 is shown, wherein the top view of a cut-open cooling channel 2, which is formed within the turbine blade 1, is shown.
  • FIGS. 4 and 5 is essentially lying in the plane of a blade inside 3, which defines the cooling channel 2.
  • the cooling channel 2 limits a front edge wall 5 arranged at the front edge 4 of the turbine blade 1 and a channel wall 6 arranged opposite the front edge wall 5.
  • FIGS. 1 to 3 are cross sections of embodiments of the cooling fin 8 shown.
  • the cooling rib 8 is flown by a cooling fluid flow 18, wherein the direction of the cooling fluid flow 18 in FIGS. 1 to 3 from left to right.
  • first embodiment of the cooling fin 8 has a front side 9 which protrudes perpendicularly from the blade inner side 3. Facing away from the blade inner side 3, the front side 9 with a plateau 11 forms an edge 10 at which a right angle is enclosed by the front side 9 and the plateau 11 and the plateau 11 is arranged parallel to the blade inner side 3.
  • Downstream of the plateau 11 includes a rear side 12, which is formed in a ramp shape and extends to a cooling fin end 13 of the plateau 11 to the blade inner side 3 out linear.
  • the contour transitions from the plateau 11 to the rear side 12 and from the rear side 12 to the blade inner side 3 via the cooling fin end 13 are designed so that during operation of the turbine blade 1, the cooling fluid flow 18 flows around the cooling rib 8 without a release.
  • the second embodiment of the cooling fin 8 is shown, which differs from the first embodiment according to FIG. 1 only differs in that the rear side 12 is formed bent, whereas the rear side 12 according to the first embodiment according to FIG. 1 is formed straight.
  • the rear side 12 includes kink-free to the plateau 11 and runs downstream of the plateau 11 convexly curved toward the blade side 3.
  • the third in FIG. 3 shown embodiment of the cooling fin 8 differs from the second in FIG. 2 shown embodiment in that in the plateau 11 and the rear side 12 a plurality of dents 14 are arranged.
  • the dimples 14 act as turbulators, so that the boundary layer of the cooling fluid flow 18 at the plateau 11 and at the rear 12 has a high degree of turbulence.
  • the second embodiment according to FIG. 2 corresponds.
  • the cooling fins 8 are arranged in four successive rows, 18 gaps 17 are provided in each row between the individual cooling fins, whereby the individual cooling fins 8 are arranged in each row at a distance from each other.
  • the cooling fins of each of the rows are arranged in alignment with each other, wherein the cooling fins are arranged in the individual rows such that the individual rows are in gap. That is, one of the cooling fins of the adjacent row is arranged transversely to each gap 17 of each of the rows, so that the cooling fluid flow 18 has a meandering flow path when passing through the gaps 17.
  • the cooling ribs 8 are arranged in the cooling channel on the blade upper side 3 with respect to the front edge 4 of the turbine blade 1, whereby the cooling fluid flow 18 receives a flow component to the leading edge 4 during the flow around the cooling ribs 8.
  • the tendency for the fluid flow 18 to flow is that the cooling fluid flow 18 flows from the channel wall 6 to the front edge wall 5.
  • Each of the in FIG. 4 shown cooling ribs 8 has a first side edge 15 and a second side edge 16, wherein the side edges 15, 16 respectively delimit their associated cooling rib 8 side.
  • the first side edge 15 closes with the front side 9 in the in FIG. 4 shown top view, while the second side edge 16 with the front side 9 in the in FIG. 4 shown top view includes a right angle.
  • the first side flank 15 is that side flank of the cooling rib 8 which is arranged facing the inflow of the cooling fluid flow 18, wherein the second side flank 16 is that of the side flanks of the cooling fin 8 which faces the outflow of the cooling fluid flow 18.
  • the cooling fin system 7 is formed by a cooling fin 8
  • the third in FIG. 3 shown embodiment of the cooling fin 8 corresponds.
  • the cooling fin 8 extends transversely of the channel from the channel wall 6 to the front edge wall 5, wherein the cooling fin 8 is arranged with its front side 9 and its rib end 13 swept in the cooling channel 12.
  • the cooling fluid flow 18 when flowing over the cooling fin 8 has a tendency to flow from the channel wall 6 to the front edge wall 5.
  • the arranged in the plateau 11 and the rear side 12 of the fin 8 dents 14 serve as turbulators and increase the degree of turbulence of the boundary layer of the cooling fluid flow 18 in the region of the plateau 11 and the rear 12. This is the one hand, the separation tendency of the boundary layer of the cooling fluid flow 18 at overcurrents of Cooling fin 8 reduced and on the other hand, the heat transfer from the cooling fin 8 to the cooling fluid flow 18 increases.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft Kühlrippensystem für einen Kühlkanal (2) einer Turbinenschaufel (1), mit mindestens einer Kühlrippe (8), die an der Schaufelinnenseite (6) des Kühlkanals (2) von dieser abstehend angeordnet ist, so dass die Kühlrippe (8) von in dem Kühlkanal (2) strömendem Kühlfluid (18) querangeströmt ist, wobei die Kühlrippe (8) eine stromab liegende Hinterseite (12) aufweist, die derart profiliert zur Schaufelinnenseite (3) hin verläuft, dass die Kühlfluidströmung (18) im Betrieb der Turbinenschaufel (1) ablösefrei die Hinterseite (12) passiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlrippensystem für einen Kühlkanal einer Turbinenschaufel.
  • Eine Gasturbine weist eine Turbine auf, in der Heißgas, das zuvor in einem Verdichter verdichtet und einer Brennkammer erhitzt wurde, zur Arbeitsgewinnung entspannt wird. Für hohe Massenströme des Heißgases und somit für hohe Leistungsbereiche der Gasturbine ist die Turbine in Axialbauweise ausgeführt, wobei die Turbine von mehreren in Durchströmungsrichtung hintereinanderliegenden Schaufelkränzen gebildet ist. Die Schaufelkränze weisen über den Umfang angeordnete Laufschaufeln und Leitschaufeln auf, wobei die Laufschaufeln auf einem Rotor der Gasturbine und die Leitschaufeln an dem Gehäuse der Gasturbine befestigt sind.
  • Der thermodynamische Wirkungsgrad der Gasturbine ist umso höher, je höher die Eintrittstemperatur des Heißgases in die Turbine ist. Demgegenüber sind Grenzen gesetzt hinsichtlich der thermischen Belastbarkeit der Turbinenschaufeln. Somit ist es erstrebenswert Turbinenschaufeln zu schaffen, die trotz einer möglichst hohen thermischen Belastung eine für den Betrieb der Gasturbine ausreichende mechanische Festigkeit haben. Hierzu stehen für die Turbinenschaufeln entsprechende Werkstoffe und Werkstoffkombinationen zur Verfügung, die jedoch nach heutigem Stand der Technik nur eine unzureichende Ausreizung des Potentials zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine ermöglichen. Zur weiteren Erhöhung der zulässigen Turbineneintrittstemperatur ist es bekannt, die Turbinenschaufeln im Betrieb der Gasturbine zu kühlen, wodurch die Turbinenschaufel selbst einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt ist, wie es ohne der Kühlung aufgrund der thermischen Belastung durch das Heißgas der Fall wäre. Es ist bekannt, die Turbinenschaufel hohl auszuführen, wobei der Innenraum der Turbinenschaufel als ein Kühlkanal dient, durch den Kühlfluid im Betrieb der Gasturbine strömt. Herkömmlich ist das Kühlfluid vom Verdichter abgezapfte Luft. Indem das Kühlfluid durch den Kühlkanal strömt wird durch Konvektion Wärme von der Turbinenschaufel abtransportiert, wodurch die Kontakttemperatur an der Oberfläche der Turbinenschaufel herabgesetzt wird. Dadurch ist die thermische Belastung der Turbinenschaufel reduziert, wodurch die Heißgastemperatur entsprechend erhöht werden kann, ohne dass die thermische Belastung der Turbinenschaufel unzulässig hoch wird. Zur Erhöhung der Konvektionswirkung ist es ferner bekannt, die Schaufelinnenseite mit Kühlrippen zu versehen, via die ein zusätzlicher Wärmeabtransport von der Turbinenschaufel erzielt ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlrippensystem für einen Kühlkanal einer Turbinenschaufel zu schaffen, wobei mit dem Kühlrippensystem die Turbinenschaufel effektiv kühlbar ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Kühlrippensystem für einen Kühlkanal einer Turbinenschaufel weist mindestens eine Kühlrippe auf, die an der Schaufelinnenseite des Kühlkanals von dieser abstehend angeordnet ist, so dass die Kühlrippe von in dem Kühlkanal strömendem Kühlfluid quer angeströmt ist, wobei die Kühlrippe eine stromab liegende Hinterseite aufweist, die derart profiliert zur Schaufelinnenseite hin verläuft, dass die Kühlfluidströmung im Betrieb der Turbinenschaufel ablösefrei die Hinterseite passiert.
  • Die Turbinenschaufel weist den Kühlkanal auf, in dem das Kühlfluid zum Kühlen der Turbinenschaufel beim Betrieb derselben strömt, wodurch die Turbinenschaufel von dem Kühlfluid gekühlt ist. Dadurch kann mit der Turbinenschaufel Heißgas bei einer so hohen Temperatur entspannt werden, die ohne die Kühlung zu einer unzulässig hohen thermischen Belastung der Turbinenschaufel führen würde. Die Kühlung der Turbinenschaufel erfolgt über Konvektion mittels des Kühlfluids, wodurch die Konvektionswirkung durch das Vorsehen der Kühlrippe erhöht ist. Dadurch, dass das Kühlfluid von der Kühlrippe an der Hinterseite ablösefrei abströmt, ist der durch die Kühlrippe induzierte Strömungswiderstand geringer, als wäre die Kühlrippe mit beispielsweise einem rechteckigen Querschnitt versehen. Bei der Kühlrippe mit dem rechteckigen Querschnitt würde nämlich das Kühlfluid stromab ablösen und ein Ablösegebiet ausbilden, was zu hohen Druckverlusten führt. Beim Betrieb der Turbinenschaufel besteht die Gefahr, dass diese Druckverluste derart hoch sind, dass ein Einzug von dem Heißgas in den Kühlkanal, beispielsweise durch in der Turbinenschaufel vorgesehene Kühlluftbohrungen, eintritt, wodurch die Kühlung der Turbinenschaufel unterbrochen ist. Als Folge hiervon wäre die Turbinenschaufel einer starken Erwärmung ausgesetzt. In der Regel ist diese Erwärmung der Turbinenschaufel derart extrem, dass dies zu einer unzulässig hohen thermischen Belastung der Turbinenschaufel führt, wodurch die Turbinenschaufel zerstört wird. Durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Kühlrippe in dem Kühlkanal ist deren Hinterseite so gestaltet, dass die Kühlfluidströmung im Betrieb der Turbinenschaufel ablösefrei abströmen kann, wodurch etwaige Druckverluste in der Kühlfluidströmung gering sind. Dadurch ist vorteilhaft der etwaige Einzug von dem Heißgas in den Kühlkanal beim Betrieb der Turbinenschaufel unterbunden.
  • Dadurch, dass die Wärmeübergangscharakteristik der Kühlrippe im Wesentlichen durch die Geometrie der Vorderseite, die der Zuströmung zugewandt ist, definiert ist, hat die erfindungsgemäße Profilierung der Hinterseite der Kühlrippe so gut wie keinen Einfluss auf die Qualität der Kühlung der Kühlrippe in dem Kühlkanal verglichen mit der beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Kühlrippe. Dadurch ist vorteilhaft erreicht, dass das erfindungsgemäße Kühlrippensystem eine effektive Kühlung der Turbinenschaufel bereitstellt, wobei beispielsweise der Einzug von dem Heißgas in den Kühlkanal vorteilhaft unterbunden ist.
  • Bevorzugtermaßen weist die Kühlrippe eine der Hinterseite abgewandte Frontseite auf, die senkrecht von der Schaufelinnenseite vorsteht. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Kühlrippe ein Plateau aufweist, das zwischen der Frontseite und der Hinterseite angeordnet ist sowie die Frontseite und die Hinterseite überbrückt. Das Plateau ist parallel zur Schaufelinnenseite angeordnet, so dass die von der Frontseite und dem Plateau gebildete Kante einen rechten Winkel aufweist. Bevorzugtermaßen ist die Hinterkante rampenförmig, insbesondere geradlinig verlaufend und/oder konvex sowie konkav konturiert, ausgebildet. In der Oberfläche der Hinterseite ist bevorzugt eine Mehrzahl an Dellen vorgesehen, die derart dimensioniert und verteilt angeordnet sind, dass die Dellen im Betrieb der Turbinenschaufel für die Kühlfluidströmung als Turbulatoren wirken. Durch das Vorsehen der Dellen wird erreicht, dass der Turbulenzgrad der Grenzschicht der Kühlfluidströmung an der Hinterseite erhöht wird. Dadurch neigt die Strömung des Kühlfluids an der Hinterseite weniger zum Ablösen, wodurch die Hinterseite tendenziell steiler abfallend zur Schaufelinnenseite hin ausgebildet sein kann. Dadurch ist die Erstreckung der Kühlrippe und somit ihr Materialeinsatz reduziert. Ferner wird durch das Ausbilden der turbulenten Grenzschicht in der Kühlfluidströmung an der Hinterseite der Wärmeübergang von der Kühlrippe zu dem Kühlfluid verbessert. Bei der herkömmlichen Kühlrippe mit dem rechteckigen Querschnitt würde sich stromab ein Rezirkulationsgebiet ausbilden, bei dem im Gebiet der Wiederanlegung ein Prallkühleffekt lokal den Wärmeübergang von der Schaufelinnenseite zu dem Kühlfluid erhöht. Dieser Effekt, der durch das ablösefreie Abströmen des Kühlfluids an der Hinterseite der erfindungsgemäß ausgestatteten Kühlrippe verloren gehen würde, wird durch die Erhöhung des Turbulenzgrads der Grenzschichtströmung mittels der Dellen im Wesentlichen ausgeglichen.
  • Die Kühlrippe ist bevorzugt gepfeilt, d.h. schräg zur Anströmrichtung, angeordnet. Ferner ist die Kühlrippe bevorzugt derart gepfeilt angeordnet, dass in der Kühlfluidströmung eine Komponente von der Hinterkante zur Vorderkante der Turbinenschaufel erzeugbar ist. Tendenziell ist die Temperatur des Heißgases im Bereich der Hinterkante der Turbinenschaufel geringer als im Bereich der Vorderkante. Dadurch, dass mit der Pfeilung der Kühlrippe die Strömungskomponente des Kühlfluids von der Hinterkante zur Vorderkante im Betrieb der Turbinenschaufel entsteht, wirkt das Kühlrippensystem für die Turbinenschaufel quasi wie ein Gegenstromwärmetauscher.
  • Die Kühlrippe weist bevorzugt seitlich jeweils eine die Kühlrippe seitlich begrenzende Seitenflanke auf, wobei die der Zuströmung des Kühlfluids zugewandte erste Seitenflanke mit der Frontseite in der Draufsicht der Kühlrippe einen Spitzenwinkel und/oder die der Zuströmung des Kühlfluids abgewandte zweite Seitenflanke mit der Frontseite in der Draufsicht der Kühlrippe einen rechten Winkel einschließt. Ferner ist es bevorzugt, dass das Kühlsystem mindestens zwei Kühlrippen aufweist, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Hierbei ist bevorzugt, dass die Kühlrippen im Abstand zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Kühlrippen jeweils eine Lücke ausgebildet ist, die die Kühlfluidströmung im Betrieb der Turbinenschaufel passiert. Das Kühlrippensystem weist bevorzugtermaßen mehrere Reihen auf, die von den Kühlrippen gebildet sind, wobei die Reihen hintereinander angeordnet sind. Die Kühlrippen sind bevorzugt in den Reihen derart angeordnet, dass die Kühlrippen mit ihren dazwischenliegenden Lücken auf Lücke stehen. Dadurch, dass die Reihen gebildet von den Kühlrippen mit den Lücken versehen sind, ist die für den Strömungswiderstand relative Fläche der Kühlrippen reduziert, wodurch der von den Kühlrippen induzierte Druckverlust zusätzlich abgesenkt ist. Ferner wird durch das Vorsehen der Lücken der Turbulenzgrad der Kühlfluidströmung erhöht, wodurch zusätzlich der Wärmeübergang von den Kühlrippen zu dem Kühlfluid erhöht ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlrippe;
    Figur 2
    einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlrippe;
    Figur 3
    einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlrippe;
    Figur 4
    eine Draufsicht auf einen Querschnitt eines Kühlkanals mit dem erfindungsgemäßen Kühlrippensystems, das von einer Anordnung von der zweiten Ausführungsform der Kühlrippe gemäß Figur 2 gebildet ist, und
    Figur 5
    eine Draufsicht eines Querschnitts des Kühlkanals mit dem Kühlrippensystem, das von der Ausführungsform der Kühlrippe gemäß Figur 3 gebildet ist.
  • In Figuren 4 und 5 ist ein Ausschnitt einer Turbinenschaufel 1 gezeigt, wobei die Draufsicht eines aufgeschnittenen Kühlkanals 2 gezeigt ist, der innerhalb der Turbinenschaufel 1 ausgebildet ist. In Figuren 4 und 5 ist im Wesentlichen in der Zeichenebene liegend eine Schaufelinnenseite 3 dargestellt, die den Kühlkanal 2 begrenzt. Ferner begrenzt den Kühlkanal 2 eine an der Vorderkante 4 der Turbinenschaufel 1 angeordnete Vorderkantenwand 5 und eine der Vorderkantenwand 5 gegenüberliegend angeordnete Kanalwand 6. An der Schaufelinnenseite 3 ist gemäß Figuren 4 und 5 jeweils ein Kühlrippensystem 7 angeordnet, wobei das Kühlrippensystem 7 gemäß Figur 4 eine Mehrzahl an Kühlrippen 8 und das Kühlrippensystem 7 gemäß Figur 5 eine einzige Kühlrippe 8 aufweist.
  • In Figuren 1 bis 3 sind Querschnitte von Ausführungsformen der Kühlrippe 8 gezeigt. Im Betrieb der Turbinenschaufel 1 ist die Kühlrippe 8 von einer Kühlfluidströmung 18 angeströmt, wobei die Richtung der Kühlfluidströmung 18 in Figuren 1 bis 3 von links nach rechts verläuft. Die in Figur 1 gezeigte erste Ausführungsform der Kühlrippe 8 weist eine Frontseite 9 auf, die senkrecht von der Schaufelinnenseite 3 vorsteht. Der Schaufelinnenseite 3 abgewandt bildet die Frontseite 9 mit einem Plateau 11 eine Kante 10 aus, an der von der Frontseite 9 und dem Plateau 11 ein rechter Winkel eingeschlossen ist und das Plateau 11 parallel zur Schaufelinnenseite 3 angeordnet ist. Stromab des Plateaus 11 schließt eine Hinterseite 12 an, die rampenförmig ausgebildet ist und bis zu einem Kühlrippenende 13 von dem Plateau 11 zur Schaufelinnenseite 3 hin linear verläuft. Die Konturübergänge von dem Plateau 11 zur Hinterseite 12 und von der Hinterseite 12 zur Schaufelinnenseite 3 via das Kühlrippenende 13 sind so ausgebildet, dass im Betrieb der Turbinenschaufel 1 die Kühlfluidströmung 18 die Kühlrippe 8 ablösefrei umströmt.
  • In Figur 2 ist die zweite Ausführungsform der Kühlrippe 8 gezeigt, die sich von der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 lediglich darin unterscheidet, dass die Hinterseite 12 gebogen ausgebildet ist, wohingegen die Hinterseite 12 gemäß der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 geradlinig ausgebildet ist. Gemäß der zweiten in Figur 2 gezeigten Ausführungsform schließt die Hinterseite 12 knickfrei an das Plateau 11 an und verläuft stromab des Plateaus 11 konvex gekrümmt zur Schaufelseite 3 hin. Die dritte in Figur 3 gezeigte Ausführungsform der Kühlrippe 8 unterscheidet sich von der zweiten in Figur 2 gezeigten Ausführungsform darin, dass in dem Plateau 11 und der Hinterseite 12 eine Mehrzahl an Dellen 14 angeordnet sind. Die Dellen 14 wirken als Turbulatoren, so dass die Grenzschicht der Kühlfluidströmung 18 am Plateau 11 und an der Hinterseite 12 einen hohen Turbulenzgrad hat.
  • Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform des Kühlrippensystems 7 ist von einer Mehrzahl von Kühlrippen 8 gebildet, die der zweiten Ausführungsform gemäß Figur 2 entsprechen. Die Kühlrippen 8 sind in vier hintereinanderliegenden Reihen angeordnet, wobei in jeder Reihe zwischen den einzelnen Kühlrippen 18 Lücken 17 vorgesehen sind, wodurch die einzelnen Kühlrippen 8 in jeder Reihe im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Kühlrippen einer jeden der Reihen sind zueinander fluchtend angeordnet, wobei die Kühlrippen in den einzelnen Reihen derart angeordnet sind, dass die einzelnen Reihen auf Lücke stehen. Das heißt, quer zu jeder Lücke 17 einer jeder der Reihen ist eine der Kühlrippen der benachbarten Reihe angeordnet, so dass die Kühlfluidströmung 18 beim Passieren der Lücken 17 einen mäanderförmigen Strömungsweg hat. Die Kühlrippen 8 sind in dem Kühlkanal auf der Schaufeloberseite 3 bezüglich der Vorderkante 4 der Turbinenschaufel 1 gepfeilt angeordnet, wodurch die Kühlfluidströmung 18 beim Umströmen der Kühlrippen 8 eine Strömungskomponente zur Vorderkante 4 hin erhält. Dadurch ist für die Fluidströmung 18 die Tendenz erzeugt, dass die Kühlfluidströmung 18 von der Kanalwand 6 zur Vorderkantenwand 5 strömt.
  • Jede der in Figur 4 gezeigten Kühlrippen 8 weist eine erste Seitenflanke 15 und eine zweite Seitenflanke 16 auf, wobei die Seitenflanken 15, 16 jeweils die ihr zugeordnete Kühlrippe 8 seitlich begrenzen. Die erste Seitenflanke 15 schließt mit der Frontseite 9 in der in Figur 4 gezeigten Draufsicht einen Spitzenwinkel ein, wohingegen die zweite Seitenflanke 16 mit der Frontseite 9 in der in Figur 4 gezeigten Draufsicht einen rechten Winkel einschließt. Die erste Seitenflanke 15 ist diejenige Seitenflanke der Kühlrippe 8, die der Zuströmung der Kühlfluidströmung 18 zugewandt angeordnet ist, wobei die zweite Seitenflanke 16 diejenige der Seitenflanken der Kühlrippe 8 ist, die der Abströmung der Kühlfluidströmung 18 zugewandt angeordnet ist.
  • Die in Figur 5 gezeigte Ausführungsform des Kühlrippensystems 7 ist von einer Kühlrippe 8 gebildet, die der dritten in Figur 3 gezeigten Ausführungsform der Kühlrippe 8 entspricht. Die Kühlrippe 8 erstreckt sich quer zum Kanal von der Kanalwand 6 zur Vorderkantenwand 5, wobei die Kühlrippe 8 mit ihrer Frontseite 9 und ihrem Rippenende 13 gepfeilt in dem Kühlkanal 12 angeordnet ist. Dadurch erhält die Kühlfluidströmung 18 beim Überströmen der Kühlrippe 8 eine Tendenz von der Kanalwand 6 zu der Vorderkantenwand 5 zu strömen. Die in dem Plateau 11 und der Hinterseite 12 der Kühlrippe 8 angeordneten Dellen 14 dienen als Turbulatoren und erhöhen den Turbulenzgrad der Grenzschicht der Kühlfluidströmung 18 im Bereich des Plateau 11 und der Hinterseite 12. Dadurch ist einerseits die Ablösetendenz der Grenzschicht der Kühlfluidströmung 18 bei Überströmen der Kühlrippe 8 reduziert und andererseits der Wärmeübergang von der Kühlrippe 8 zur Kühlfluidströmung 18 erhöht.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (13)

  1. Kühlrippensystem für einen Kühlkanal (2) einer Turbinenschaufel (1),
    mit mindestens einer Kühlrippe (8), die an der Schaufelinnenseite (6) des Kühlkanals (2) von dieser abstehend angeordnet ist, so dass die Kühlrippe (8) von in dem Kühlkanal (2) strömendem Kühlfluid (18) querangeströmt ist, wobei die Kühlrippe (8) eine stromab liegende Hinterseite (12) aufweist, die derart profiliert zur Schaufelinnenseite (3) hin verläuft, dass die Kühlfluidströmung (18) im Betrieb der Turbinenschaufel (1) ablösefrei die Hinterseite (12) passiert.
  2. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 1,
    wobei die Kühlrippe (8) eine der Hinterseite (12) abgewandte Frontseite (9) aufweist, die senkrecht von der Schaufelinnenseite (3) vorsteht.
  3. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 2,
    wobei die Kühlrippe (8) ein Plateau (11) aufweist, das zwischen der Frontseite (9) und der Hinterseite (12) angeordnet ist sowie die Frontseite (9) und die Hinterseite (12) überbrückt.
  4. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 3,
    wobei das Plateau (11) parallel zur Schaufelinnenseite (3) angeordnet ist, so dass die von der Frontseite (9) und dem Plateau (11) gebildete Kante (10) einen rechten Winkel aufweist.
  5. Kühlrippensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Hinterseite (12) rampenförmig, insbesondere geradlinig verlaufend und/oder konvex sowie konkav konturiert, ausgebildet ist.
  6. Kühlrippensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der Oberfläche der Hinterseite (12) eine Mehrzahl an Dellen (14) vorgesehen ist, die derart dimensioniert und verteilt angeordnet sind, dass die Dellen (14) im Betrieb der Turbinenschaufel (1) für die Kühlfluidströmung (18) als Turbulatoren wirken.
  7. Kühlrippensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kühlrippe (8) gepfeilt angeordnet ist.
  8. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 7,
    wobei die Kühlrippe (8) derart gepfeilt angeordnet ist, dass in der Kühlfluidströmung (18) eine Komponente von der Hinterkante zur Vorderkante (4) der Turbinenschaufel (1) erzeugbar ist.
  9. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 7 oder 8,
    wobei die Kühlrippe (8) seitlich jeweils eine die Kühlrippe (8) seitlich begrenzende Seitenflankeflanke (15, 16) aufweist,
    wobei die der Zuströmung (18) des Kühlfluids zugewandte erste Seitenflanke (15) mit der Frontseite (9) in der Draufsicht der Kühlrippe (8) einen spitzen Winkel und/oder die der Zuströmung (18) des Kühlfluids abgewandte zweite Seitenflanke (16) mit der Frontseite (9) in der Draufsicht der Kühlrippe (8) einen rechten Winkel einschließt.
  10. Kühlrippensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Kühlrippensystem (7) mindestens zwei der Kühlrippen (8) aufweist, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.
  11. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 10,
    wobei die Kühlrippen (8) im Abstand zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Kühlrippen (8) jeweils eine Lücke (17) ausgebildet ist, die die Kühlfluidströmung (18) im Betrieb der Turbinenschaufel (1) passiert.
  12. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 11,
    wobei das Kühlrippensystem (7) mehrere der Reihen gebildet von den Kühlrippen (8) aufweist,
    wobei die Reihen hintereinander angeordnet sind.
  13. Kühlrippensystem gemäß Anspruch 12,
    wobei die Kühlrippen (8) in den Reihen derart angeordnet sind, dass die Kühlrippen (8) mit ihren dazwischen liegenden Lücken (17) auf Lücke stehen.
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