EP1223308A2 - Cooling of a turbo machine component - Google Patents
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- EP1223308A2 EP1223308A2 EP01129169A EP01129169A EP1223308A2 EP 1223308 A2 EP1223308 A2 EP 1223308A2 EP 01129169 A EP01129169 A EP 01129169A EP 01129169 A EP01129169 A EP 01129169A EP 1223308 A2 EP1223308 A2 EP 1223308A2
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- cooling
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
- F01D25/12—Cooling
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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
- F01D5/187—Convection cooling
Definitions
- the present invention relates to a component a turbomachine, in particular a turbine blade, which can be flowed through by a cooling medium Cooling channel with at least one through the wall of the cooling channel formed deflection through which the flow of the cooling medium from a first Canal section into a downstream second Channel section is deflected, being in the area of Deflecting at least one flow guiding element in the Cooling channel is arranged through which the cooling channel in the diversion into an inner and an outer Flow channel is divided.
- a separate cooling duct 2a is additionally provided, via which part of the cooling air is guided to the front and tip of the blade in order to exit there via corresponding openings 4.
- the flow pattern of the cooling air within the airfoil is indicated by the arrows.
- 180 ° deflections 5 are required in the vicinity of the blade tip or the blade root, which connect the different sections of the cooling air duct 2 to one another.
- complicated flow patterns with dead water areas develop, which lead to large pressure losses over the length of the cooling air duct 2 and thus require an increased pumping capacity for the transport of the cooling air.
- the task is performed using the component Claim 1 solved.
- Advantageous configurations the component are the subject of the subclaims.
- the proposed solution is therefore a Reduction of pressure losses in the redirection simultaneous homogenization of the heat transfer between the cooling medium and the wall material of the Component reached.
- the present design is regardless of the further configuration of the Component, in particular regardless of the rib configuration in the first and second channel section, in Hereinafter also referred to as the inlet and outlet duct, as well as possible curves on the outer Edge areas of the deflection. Such details, that with a variety of gas turbine blades occur do not affect the beneficial Effect of the present invention.
- the drilling leads to the dissolution of the dead water areas and thus contributes to a homogenization of the heat transfer. Furthermore, these bores can bring about the desired side effect that dust particles in the cooling medium are blown out through the bores. To reinforce this side effect, the longitudinal axes of the bores are aligned approximately in the direction of the local streamlines of the flow of the cooling medium in the cooling channel. Due to the low adjacent flow velocity, the additional bores only make a small contribution to the global pressure loss via the cooling channel, which, due to the advantageous effect mentioned above, is hardly noticeable to minimize the pressure loss.
- the thickness of the partition wall increases in the region of the deflection, in order to reduce the corresponding constriction within the region due to this increase in thickness inner flow channel.
- the shape of the contour of this partition wall, which separates the outlet duct from the inlet duct, can be different in order to bring about the effect mentioned.
- the flow guide element is preferably such trained and arranged within the deflection, that about 25 to 45% of the mass flow from the Inlet channel into the flow entering the deflection the area within the flow guide element, i.e. into the inner flow channel, enters and the rest outside the baffle, i.e. in the outer flow channel, flows.
- the mass flow ratio corresponds to that Entry cross-sectional area ratio of the outer and inner flow channel.
- the area ratio on The outlet duct should be roughly the same as the inlet duct correspond, i.e. it shouldn't be more than 20% deviate from this ratio.
- the round baffle vary in thickness, or even again with Guide devices should be provided.
- FIG. 3 shows a schematic representation Embodiment for the design of the cooling channel deflection 5 the component of a turbomachine according to the present invention.
- the flow direction of the cooling medium is in turn through in this figure thick arrows indicated.
- the cooling medium overflows a first channel section 9 in the deflection 5 and thence to a second canal section 10.
- the two Channel sections 9 and 10 are used in this example separated from each other by a partition 11, the Is part of the cooling channel wall 12.
- Such one Cooling channel can be in a usual gas turbine blade, as shown for example in FIG. 1, be arranged.
- the deflection baffle is designed such that approximately 25 to 45% of the mass flow of the flow entering the deflection 5 from the inlet duct 9 flows into the area of the inner flow channel 13 and the rest flows into the area of the outer flow channel 14.
- the mass flow ratio corresponds to the inlet area ratio A '/ B'.
- the area ratio at the outlet duct A "/ B" in this example corresponds to the area ratio at the inlet duct and should not deviate more than ⁇ 20% from A '/ B'.
- the holes 15 depending on location with its axis of drilling approximately in Direction of the streamlines of the flow of the cooling medium aligned so that - as an additional side effect - the discharge of small particles or dust in the Cooling air can take place via the bores 15.
- FIG. 5 shows another preferred Embodiment of the invention shown in Figure 3.
- the flow guide element 8 has a number of bores 16, which contribute to dust and Dirt accumulation in the outer 14 or inner 13 Avoid flow channel.
- Figure 6 shows another Possibility to achieve this effect.
- the Flow guide element is in several sub-elements, 8a and 8b, divided between which a gap is trained, which has the same effect as the bores 16 in FIG. 5.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbinenschaufel, die einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal (9, 10) mit zumindest einer durch die Wandung (11, 12) des Kühlkanals gebildeten Umlenkung aufweist, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt (9) in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt (10) umgelenkt wird. Im Bereich der Umlenkung ist zumindest ein Strömungsleitelement (8) im Kühlkanal angeordnet, durch das der Kühlkanal in einen inneren (13) und einen äußeren Strömungskanal (14) aufgeteilt wird. Der innere Strömungskanal (13) weist bei der vorliegenden Komponente eine Einschnürung im Strömungsquerschnitt auf. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Kühlkanalumlenkung wird der durch die Umlenkung hervorgerufene Druckverlust minimiert und gleichzeitig ein deutlich homogenerer Wärmeübergang auf das Kühlmedium ohne lokale Temperaturspitzen erreicht. <IMAGE>The present invention relates to a component of a turbomachine, in particular a turbine blade, which has a cooling channel (9, 10) through which a cooling medium can flow, with at least one deflection formed by the wall (11, 12) of the cooling channel, through which the flow of the cooling medium is prevented by one first channel section (9) is deflected into a downstream second channel section (10). In the area of the deflection, at least one flow guide element (8) is arranged in the cooling channel, through which the cooling channel is divided into an inner (13) and an outer flow channel (14). The inner flow channel (13) has a constriction in the flow cross section in the present component. The proposed design of the cooling duct deflection minimizes the pressure loss caused by the deflection and at the same time achieves a significantly more homogeneous heat transfer to the cooling medium without local temperature peaks. <IMAGE>
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbinenschaufel, die einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal mit zumindest einer durch die Wandung des Kühlkanals gebildeten Umlenkung aufweist, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt umgelenkt wird, wobei im Bereich der Umlenkung zumindest ein Strömungsleitelement im Kühlkanal angeordnet ist, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird.The present invention relates to a component a turbomachine, in particular a turbine blade, which can be flowed through by a cooling medium Cooling channel with at least one through the wall of the cooling channel formed deflection through which the flow of the cooling medium from a first Canal section into a downstream second Channel section is deflected, being in the area of Deflecting at least one flow guiding element in the Cooling channel is arranged through which the cooling channel in the diversion into an inner and an outer Flow channel is divided.
Auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der Gasturbinen, werden zur Steigerung der Leistung zunehmend höhere Turbineneintrittstemperaturen angestrebt und verwirklicht. Die höheren Temperaturen werden einerseits durch Fortschritte in der Werkstofftechnik in Richtung höherer zulässiger Materialtemperaturen und andererseits durch eine verbesserte Kühlung der Komponenten erreicht, die den hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Gerade im Bereich der Gasturbinen besteht hierbei die Notwendigkeit, die Kühlung für neue Generationen von Gasturbinenschaufeln weiter zu verbessern. In the field of fluid machines, in particular of gas turbines, are used to increase the Performance increasingly higher turbine inlet temperatures aspired and realized. The higher temperatures are on the one hand through advances in materials technology towards higher permissible material temperatures and on the other hand through an improved Cooling of the components achieved the high Exposed to temperatures. Especially in the area of There is a need for gas turbines here Cooling for new generations of gas turbine blades continue to improve.
Eine bekannte Kühlungsmethode für die Kühlung von
Gasturbinenschaufeln ist die interne, konvektive
Kühlung. Bei dieser Kühltechnik wird Kühlluft durch die
Rotorwelle in den Schaufelfuß eingeleitet und von dort
in innerhalb des Schaufelblattes verlaufenden Kühlkanälen
geführt, in denen sie die Wärme der Turbinenschaufel
aufnimmt. Die erwärmte Kühlluft wird
schließlich durch geeignet angeordnete Bohrungen und
Schlitze aus der Turbinenschaufel ausgeblasen.
Ein beispielhafter Verlauf der Kühlluftkanäle in
einer Gasturbinenschaufel (nach: Thalin et al. 1982:
NASA CR 1656087) ist in Figur 1 dargestellt. Die
Kühlluft tritt über den Schaufelfuß 1 in die Turbinenschaufel
ein, wird über einen Kühlkanal 2 bis zur
Hinterseite der Schaufel geführt und schließlich über
entsprechende Öffnungsschlitze 3 ausgeblasen. In dem in
Figur 1 gezeigten Beispiel ist zusätzlich ein gesonderter
Kühlkanal 2a vorgesehen, über den ein Teil der
Kühlluft an die Vorderseite und Spitze der Schaufel
geführt wird, um dort über entsprechende Öffnungen 4
auszutreten. Der Strömungsverlauf der Kühlluft innerhalb
des Schaufelblattes ist durch die Pfeile
angedeutet.
Bei einem typischen Verlauf des Kühlluftkanals
sind 180°-Umlenkungen 5 in der Nähe der Schaufelspitze
oder des Schaufelfußes erforderlich, die die unterschiedlichen
Abschnitte des Kühlluftkanals 2 miteinander
verbinden. Im Bereich dieser Umlenkungen 5
entwickeln sich jedoch komplizierte Strömungsmuster mit
Totwassergebieten, die zu großen Druckverlusten über
die Länge des Kühlluftkanals 2 führen und somit eine
erhöhte Pumpleistung für den Transport der Kühlluft
erfordern. Weiterhin entstehen in diesen Bereichen
Gebiete geringen Wärmeübergangs zur Turbinenschaufel,
die zu lokalen Temperaturspitzen auf der Außenhaut der
Turbinenschaufel führen.
Figur 2 zeigt hierzu schematisch einen Ausschnitt
aus einem Kühlluftkanal 2 mit einer Umlenkung 5, in dem
die Rezirkulationsgebiete, d.h. die Gebiete, die den
hohen Druckverlust generieren, mit dem Bezugszeichen 6
gekennzeichnet sind. Der Strömungsverlauf des
Kühlmediums ist wiederum über die Pfeile dargestellt.
Neben den Druckverlust sind die Rezirkulationsgebiete
nur gering durchströmt, weshalb hier Gebiete geringen
Wärmeübergangs vorliegen.A known cooling method for cooling gas turbine blades is internal, convective cooling. In this cooling technique, cooling air is introduced through the rotor shaft into the blade root and from there is guided into cooling channels running inside the blade blade, in which it absorbs the heat from the turbine blade. The heated cooling air is finally blown out of the turbine blade through suitably arranged bores and slots.
An exemplary course of the cooling air ducts in a gas turbine blade (according to: Thalin et al. 1982: NASA CR 1656087) is shown in FIG. 1. The cooling air enters the turbine blade via the
In the case of a typical course of the cooling air duct, 180 °
FIG. 2 shows schematically a section of a
Bei den bisher bekannten technischen Entwicklungen
konnte zum Teil der Druckverlust über die Länge des
Kühlkanals durch geeignete Anordnung von strömungsleitendenElementen,
wie sie beispielsweise in der
Figur 1 zu erkennen sind, verringert werden.
Aus der US 5,073,086 ist hierbei eine Anordnung
bekannt, bei der im Bereich der Umlenkung ein
Strömungsleitelement im Kühlkanal angeordnet ist, durch
das der Kühlkanal in der Umlenkung vollständig in einen
inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt
wird. Durch diese vollständige Aufteilung der Strömung
kann zwar der durch die Umlenkung hervorgerufene
Druckverlust verringert werden, eine deutlich
homogenere Abführung der Wärme aus dem Bereich der
Umlenkung wird dadurch jedoch nicht erreicht. Vielmehr
entstehen neue Gebiete geringen Wärmeübergangs im
Bereich des als Umlenkleitblech ausgebildeten
Strömungsleitelementes.In the previously known technical developments, the pressure loss over the length of the cooling channel could be reduced in part by suitable arrangement of flow-guiding elements, as can be seen, for example, in FIG.
An arrangement is known from US Pat. No. 5,073,086 in which a flow guiding element is arranged in the cooling duct in the region of the deflection, through which the cooling duct in the deflection is completely divided into an inner and an outer flow duct. Through this complete division of the flow, the pressure loss caused by the deflection can be reduced, but a significantly more homogeneous dissipation of the heat from the region of the deflection is not achieved. Rather, new areas of low heat transfer arise in the area of the flow guide element designed as a deflection baffle.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Komponente einer Strömungsmaschine mit verbesserter Kühlung anzugeben, bei der im Bereich der Umlenkungen des Kühlkanals der Druckverlust verringert und ein homogener Wärmeübergang erreicht wird.The object of the present invention is in having a component of a turbomachine to provide improved cooling, in the area of Redirection of the cooling channel reduces the pressure loss and a homogeneous heat transfer is achieved.
Die Aufgabe wird mit der Komponente gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Komponente sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is performed using the
Die vorgeschlagene Komponente der Strömungsmaschine, in der Regel eine Turbinenschaufel, weist in bekannter Weise einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal mit zumindest einer durch die Wandung des Kühlkanals gebildeten Umlenkung auf, durch die die Strömung des Kühlmediums von einem ersten Kanalabschnitt in einen stromab gelegenen zweiten Kanalabschnitt umgelenkt wird. Im Bereich dieser Umlenkung ist auch bei der vorliegenden Komponente ein Strömungsleitelement, beispielsweise in Form eines Umlenkleitbleches, im Kühlkanal angeordnet, durch das der Kühlkanal in der Umlenkung vollständig in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufgeteilt wird. Die vorliegende Komponente zeichnet sich dadurch aus, dass der innere Strömungskanal eine Einschnürung im Strömungsquerschnitt aufweist. Durch diese Einschnürung, d.h. eine Verengung und anschließende erneute Aufweitung des Strömungsquerschnittes, tritt ein Düseneffekt im inneren Strömungskanal auf, der den Wärmeübergang durch die Beschleunigung der Strömung in vorteilhafter Weise erhöht und gleichzeitig homogenisiert. Die Einschnürung wird vorzugsweise durch eine geeignete Formgebung bzw. Konturierung des Strömungsleitelementes und/oder der Wandung des Kühlkanals im Bereich der Umlenkung gebildet.The proposed component of the fluid machine, usually a turbine blade, has in a known manner through which a cooling medium can flow Cooling channel with at least one through the wall of the cooling channel formed by the deflection Flow of the cooling medium from a first channel section into a downstream second channel section is redirected. In the area of this redirection is also a flow control element in the present component, for example in the form of a baffle, arranged in the cooling duct through which the cooling duct in the deflection completely into an inner and an outer flow channel is divided. The this component is characterized in that the inner flow channel is constricted in the Has flow cross-section. Through this Constriction, i.e. a narrowing and subsequent renewed widening of the flow cross-section occurs a nozzle effect in the inner flow channel, which the Heat transfer due to the acceleration of the flow in advantageously increased and homogenized at the same time. The constriction is preferably by a suitable shaping or contouring of the flow guiding element and / or the wall of the cooling channel in Area of the deflection formed.
Durch die vorgeschlagene Lösung wird somit eine Verringerung der Druckverluste in der Umlenkung bei gleichzeitiger Homogenisierung des Wärmeübergangs zwischen dem Kühlmedium und dem Wandmaterial der Komponente erreicht. Die vorliegende Ausgestaltung ist unabhängig von der weiteren Konfiguration der Komponente, insbesondere unabhängig von der Rippenkonfiguration im ersten und zweiten Kanalabschnitt, im Folgenden auch als Ein- und Auslasskanal bezeichnet, sowie von möglichen Rundungen an den äußeren Randbereichen der Umlenkung. Derartige Einzelheiten, die bei einer Vielzahl von Gasturbinenschaufeln auftreten, haben keinen Einfluss auf die vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfindung.The proposed solution is therefore a Reduction of pressure losses in the redirection simultaneous homogenization of the heat transfer between the cooling medium and the wall material of the Component reached. The present design is regardless of the further configuration of the Component, in particular regardless of the rib configuration in the first and second channel section, in Hereinafter also referred to as the inlet and outlet duct, as well as possible curves on the outer Edge areas of the deflection. Such details, that with a variety of gas turbine blades occur do not affect the beneficial Effect of the present invention.
In einer sehr vorteilhaften weiteren Ausbildung
der Komponente sind im äußeren Strömungskanal der
Umlenkung zusätzlich ein oder mehrere Auslassbohrungen
für das Kühlmedium in der Wandung des Kühlkanals
ausgebildet, über die ein geringer Teil des Kühlmediums
aus dem Kühlkanal austreten kann. Diese so genannte
Kühlluftausblasung - im Falle von Luft als Kühlmedium -
trägt in Verbindung mit den bereits erläuterten
Merkmalen nochmals zu einer deutlichen Verbesserung des
Wärmeübergangs bei, so dass eine Komponente erhalten
wird, bei der einerseits keine lokalen Temperaturspitzen
im Bereich der Umlenkung mehr auftreten und
andererseits hohe Mittelwerte des Wärmeüberganges auf
das Kühlmedium erreicht werden. Durch die Anordnung
dieser Auslassbohrungen in Eckbereichen der Umlenkung,
in denen ansonsten Totwassergebiete auftreten, wird
gerade dort ein deutlich verbesserter Wärmeübergang
erreicht. Die Bohrungen führen zum Auflösen der
Totwassergebiete und tragen somit zu einer Homogenisierung
des Wärmeüberganges bei. Weiterhin können diese
Bohrungen den gewünschten Nebeneffekt herbeiführen,
dass Staubpartikel im Kühlmedium durch die Bohrungen
ausgeblasen werden. Zur Verstärkung dieses Nebeneffektes
werden die Längsachsen der Bohrungen in etwa
in Richtung der lokalen Stromlinien der Strömung des
Kühlmediums im Kühlkanal ausgerichtet.
Aufgrund der geringen angrenzenden Strömungsgeschwindigkeit
liefern die zusätzlichen Bohrungen nur
einen geringen Beitrag zum globalen Druckverlust über
den Kühlkanal, der aufgrund der vorteilhaften Wirkung
oben angeführten Merkmale zur Minimierung des Druckverlustes
jedoch kaum spürbar wird.In a very advantageous further embodiment of the component, one or more outlet bores for the cooling medium are additionally formed in the wall of the cooling channel in the outer flow channel of the deflection, through which a small part of the cooling medium can exit the cooling channel. This so-called cooling air blow-out - in the case of air as the cooling medium - in conjunction with the features already explained, again contributes to a significant improvement in the heat transfer, so that a component is obtained in which on the one hand there are no longer local temperature peaks in the area of the deflection and on the other high mean values of heat transfer to the cooling medium can be achieved. By arranging these outlet bores in corner areas of the deflection, in which otherwise dead water areas occur, a significantly improved heat transfer is achieved there. The drilling leads to the dissolution of the dead water areas and thus contributes to a homogenization of the heat transfer. Furthermore, these bores can bring about the desired side effect that dust particles in the cooling medium are blown out through the bores. To reinforce this side effect, the longitudinal axes of the bores are aligned approximately in the direction of the local streamlines of the flow of the cooling medium in the cooling channel.
Due to the low adjacent flow velocity, the additional bores only make a small contribution to the global pressure loss via the cooling channel, which, due to the advantageous effect mentioned above, is hardly noticeable to minimize the pressure loss.
Die für die bestmögliche Funktion der vorliegenden
Erfindung erforderliche Einschnürung des Strömungsquerschnittes
im inneren Strömungskanal der Umlenkung,
d.h. in dem Strömungskanal, der den kürzeren Strömungsweg
in der Umlenkung aufweist, kann einerseits durch
entsprechende Gestaltung des Strömungsleitelementes,
beispielsweise durch eine Verdickung, und andererseits
durch eine entsprechende Ausformung der dem Strömungsleitelement
im inneren Strömungskanal gegenüberliegenden
Kanalwandung erreicht werden. Selbstverständlich
kann die Einschnürung auch durch eine entsprechende
Ausformung beider Elemente oder der weiteren den
inneren Strömungskanal umgebenden Wandbereiche erreicht
werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei der der
erste und zweite Kanalabschnitt annähernd parallel
beidseitig einer Trennwand verlaufen, welche eine Seite
der Wandung des Kühlkanals bildet, nimmt die Dicke der
Trennwand im Bereich der Umlenkung zu, um durch diese
Zunahme der Dicke die entsprechende Einschnürung
innerhalb des inneren Strömungskanals hervorzurufen.
Die Form der Konturierung dieser Trennwand, die den
Auslasskanal vom Einlasskanal trennt, kann unterschiedlich
ausfallen, um den genannten Effekt herbeizuführen.The constriction of the flow cross section required for the best possible function of the present invention in the inner flow channel of the deflection, that is to say in the flow channel which has the shorter flow path in the deflection, can be achieved, on the one hand, by appropriate design of the flow guide element, for example by a thickening, and, on the other hand, by a corresponding one Formation of the channel wall opposite the flow guide element in the inner flow channel can be achieved. Of course, the constriction can also be achieved by a corresponding shaping of both elements or the further wall areas surrounding the inner flow channel.
In an advantageous embodiment, in which the first and second duct sections run approximately parallel on both sides of a partition wall, which forms one side of the wall of the cooling duct, the thickness of the partition wall increases in the region of the deflection, in order to reduce the corresponding constriction within the region due to this increase in thickness inner flow channel. The shape of the contour of this partition wall, which separates the outlet duct from the inlet duct, can be different in order to bring about the effect mentioned.
Das Strömungsleitelement, das den Kühlkanal in der Umlenkung in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal aufteilt, ist in der Regel als Strömungsleitblech ausgebildet. Vorzugsweise erstreckt sich dieses Strömungsleitelement über eine gewisse Distanz bis in den zweiten Kanalabschnitt bzw. Auslasskanal hinein. Die Distanz, um den das Strömungsleitelement in den zweiten Kanalabschnitt hineinreicht, entspricht vorzugsweise in etwa dem Abstand zwischen dem Strömungsleitelement und der im inneren Strömungskanal gegenüberliegenden Wandung des Kühlkanals am Einlass oder Auslass der Umlenkung. Durch die Verlängerung des Strömungsleitelementes wird eine Verlängerung der Aufteilung des Kühlkanals in einen inneren und einen äußeren Strömungskanal erreicht. Am Austritt des inneren Strömungskanals kann eine leichte Einschnürung oder Aufweitung des Kanalquerschnitts vorgesehen sein, so dass die Wand des Strömungsleitelementes in diesem Bereich nicht unbedingt parallel zur Kanalwand des zweiten Kanalabschnittes bzw. Auslasskanals verlaufen muss.The flow control element that the cooling channel in the Redirection into an inner and an outer flow channel divides, is usually as a flow baffle educated. This preferably extends Flow control element over a certain distance up to into the second duct section or outlet duct. The distance that the flow guide element in the extends into the second channel section preferably approximately the distance between the Flow control element and that in the inner flow channel opposite wall of the cooling duct at the inlet or outlet of the diversion. By extending the Flow control element is an extension of Division of the cooling channel into an inner and an outer flow channel reached. At the exit of the inner flow channel can be a slight constriction or widening of the channel cross section can be provided, so that the wall of the flow guide in this Area not necessarily parallel to the duct wall of the second channel section or outlet channel got to.
Das Strömungsleitelement ist vorzugsweise derart ausgebildet und innerhalb der Umlenkung angeordnet, dass ca. 25 bis 45% des Massenstroms der aus dem Einlasskanal in die Umlenkung eintretenden Strömung in den Bereich innerhalb des Strömungsleitelementes, d.h. in den inneren Strömungskanal, eintritt und der Rest ausserhalb des Leitbleches, d.h. im äußeren Strömungskanal, fließt. Das Massenstromverhältnis entspricht dem Eintrittsquerschnittsflächenverhältnis des äußeren und inneren Strömungskanals. Das Flächenverhältnis am Auslasskanal sollte in etwa demjenigen des Einlasskanals entsprechen, d.h. es sollte nicht um mehr als 20% von diesem Verhältnis abweichen. Selbstverständlich kann das in der Regel rund ausgeformte Umlenkleitblech in der Dicke variieren, oder auch selbst wieder mit Leitvorrichtungen versehen sein.The flow guide element is preferably such trained and arranged within the deflection, that about 25 to 45% of the mass flow from the Inlet channel into the flow entering the deflection the area within the flow guide element, i.e. into the inner flow channel, enters and the rest outside the baffle, i.e. in the outer flow channel, flows. The mass flow ratio corresponds to that Entry cross-sectional area ratio of the outer and inner flow channel. The area ratio on The outlet duct should be roughly the same as the inlet duct correspond, i.e. it shouldn't be more than 20% deviate from this ratio. Of course can usually the round baffle vary in thickness, or even again with Guide devices should be provided.
In einer weiteren Vorzugsvariante der Erfindung weist das Strömungsleitelement Mittel auf, welche eine Ansammlung von Staub oder Schmutz in einem der Strömungskanäle verhindern. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Strömungsleitelement mit Durchtrittsöffnungen versehen oder sonst auf geeignete Weise ausgestaltet wird.In a further preferred variant of the invention the flow guide has means which a Accumulation of dust or dirt in one of the Prevent flow channels. For example can be achieved by using the flow guide Provide passage openings or otherwise on suitable Way is designed.
Durch die Summe der in den Weiterbildungen angeführten Maßnahmen bzw. Merkmale, d.h. durch die Optimierung der Geometrie und durch die Kühlluftausblasung an kritischen Stellen, wird eine optimierte Kühlung im Bereich des Umlenkelementes bei minimiertem Druckverlust erreicht. Die einzelnen Maßnahmen sind hierbei unabhängig von der konkreten Geometrie der Komponente und des Kühlkanals und lassen sich beispielsweise auch bei Kühlkanalumlenkungen einsetzen, deren Umlenkwinkel ungleich 180° beträgt. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung weder auf Turbinenschaufeln noch auf gasgekühlte Komponenten beschränkt, sondern lässt sich insbesondere auch bei Komponenten mit anderen strömenden Kühlmedien einsetzen.By the sum of those in the training courses Measures or features listed, i.e. through the Optimization of the geometry and by blowing out the cooling air at critical points, an optimized Cooling in the area of the deflecting element with minimized Pressure loss reached. The individual measures are regardless of the specific geometry of the Component and the cooling channel and can for example, also use for cooling duct deflections, whose deflection angle is not equal to 180 °. Still is the present invention neither on turbine blades still limited to gas-cooled components, but can also be used with components use other flowing cooling media.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen
- Fig. 1
- einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel mit Kühlkanalumlenkungen gemäß dem Stand der Technik;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung der Ablösegebiete innerhalb einer Kühlkanalumlenkung;
- Fig. 3
- schematisch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kühlkanalumlenkung;
- Fig. 4
- ein Beispiel für eine Anordnung zusätzlicher Auslassbohrungen in der Kühlkanalumlenkung;
- Fig. 5
- die in
Figur 3 dargestellte Konfiguration, mit Massnahmen zur Vermeidung einseitigen von Staub- und Schmutzansammlungen; - Fig. 6
- Eine Ausgestaltung des Strömungsleitelementes zur Vermeidung von einseitigen Staub- und Schmutzansammlungen.
- Fig. 1
- a section through a turbine blade with cooling channel deflections according to the prior art;
- Fig. 2
- a schematic representation of the separation areas within a cooling channel deflection;
- Fig. 3
- schematically an embodiment for the inventive design of a cooling channel deflection;
- Fig. 4
- an example of an arrangement of additional outlet bores in the cooling channel deflection;
- Fig. 5
- the configuration shown in Figure 3, with measures to avoid one-sided accumulation of dust and dirt;
- Fig. 6
- An embodiment of the flow guide element to avoid one-sided accumulation of dust and dirt.
Die Figuren 1 und 2 wurden bereits in Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erläutert, um die dort auftretende Problematik des Druckverlustes und der Gebiete geringen Wärmeübergangs innerhalb der Umlenkung eines Kühlkanals aufzuzeigen.Figures 1 and 2 have already been related explained with the description of the prior art, the problem of pressure loss occurring there and the areas of low heat transfer within the To show redirection of a cooling channel.
Figur 3 zeigt in schematisierter Darstellung ein
Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Kühlkanalumlenkung
5 der Komponente einer Strömungsmaschine
gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Strömungsrichtung
des Kühlmediums ist in dieser Figur wiederum durch
dicke Pfeile angedeutet. Das Kühlmedium strömt über
einen ersten Kanalabschnitt 9 in die Umlenkung 5 und
von dort in einen zweiten Kanalabschnitt 10. Die beiden
Kanalabschnitte 9 und 10 werden in diesem Beispiel
durch eine Trennwand 11 voneinander abgetrennt, die
Bestandteil der Kühlkanalwandung 12 ist. Ein derartiger
Kühlkanal kann in einer üblichen Gasturbinenschaufel,
wie sie beispielsweise in der Fig. 1 dargestellt ist,
angeordnet sein.Figure 3 shows a schematic representation
Embodiment for the design of the cooling
Innerhalb der Umlenkung 5 ist ein geformtes
Strömungs- bzw. Umlenkleitblech 8 ausgebildet, das den
Kühlkanal innerhalb der Umlenkung 5 in einen radial
inneren Strömungskanal 13 und einen radial äußeren
Strömungskanal 14 aufteilt. Beide Strömungskanäle
werden durch das Umlenkleitblech 8 vollständig
voneinander getrennt. Im vorliegenden Beispiel
erstreckt sich das Umlenkleitblech 8 zudem bis in den
zweiten Kanalabschnitt 10 hinein. Die Strecke, um die
das Umlenkleitblech 8 in den zweiten Kanalabschnitt 10
hineinragt, entspricht etwa der Breite B' bzw. B" des
Abstandes zwischen der Trennwand 11 und am Einlassbzw.
Auslasskanal und dem Leitblech 8.
Das Umlenkleitblech ist in diesem Beispiel so
ausgelegt, dass ca. 25 bis 45% des Massenstroms der aus
dem Einlasskanal 9 in die Umlenkung 5 eintretenden
Strömung in den Bereich des inneren Strömungskanals 13
und der Rest in den Bereich des äußeren Strömungskanals
14 fließt. Das Massenstromverhältnis entspricht hierbei
dem Eintrittsflächenverhältnis A'/B'. Das Flächenverhältnis
am Auslasskanal A"/B" entspricht in diesem
Beispiel dem Flächenverhältnis am Einlasskanal und
sollte nicht mehr als ± 20% von A'/B' abweichen.A shaped flow or
In this example, the deflection baffle is designed such that approximately 25 to 45% of the mass flow of the flow entering the
Im vorliegenden Beispiel ist die Trennwand 11 im
Bereich der Umlenkung 5, d.h. an ihrem umlenkungsseitigen
Ende derart konturiert, dass sie zu einer
Einschnürung des Strömungsquerschnitts im inneren
Strömungskanal 13 führt. Die Konturierung wird in
diesem Beispiel durch eine stärkere Dicke der Trennwand
11 erreicht. Durch die in der Figur 4 dargestellte
lineare Zunahme der Dicke der Trennwand 11 und
gleichzeitig an den abgerundeten Verlauf des Strömungsleitbleches
8 angepassten umlenkungsseitigen Ende bzw.
Rand wird eine düsenartige Verengung am Einlass zum
inneren Strömungskanal 13 und eine entsprechend
geformte Aufweitung am Auslass in den zweiten
Kanalabschnitt 10 erreicht. Durch diese Ausgestaltung
tritt ein Düseneffekt auf, der den Wärmeübergang
zwischen dem Kühlmedium und der Komponente in diesem
Bereich durch die Beschleunigung der Strömung erhöht
und damit gleichzeitig homogenisiert. Ohne eine
derartige Einschnürung würden Gebiete geringen
Wärmeüberganges innerhalb des Leitbleches 8, d.h. im
inneren Strömungskanal 13 auftreten. Die Einschnürung
der Querschnittsfläche des inneren Strömungskanals 13
sollte etwa 5 bis 20% betragen.In the present example, the
Zusätzlich zu dem Strömungsleitblech 8 und der
durch die Trennwand 11 verursachten Einschnürung des
inneren Strömungskanals 13 sind in der vorliegenden
Figur 3 zwei Bohrungen 15 in den Eckbereichen der
Umlenkung 5 zu erkennen. Durch diese zusätzlichen
Bohrungen 15 wird ein geringer Teil der Kühlluft in die
externe Strömung ausserhalb der Komponente ausgeblasen.
Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer
Beschleunigung der Strömung im Bereich der Ablöse- bzw.
Totwassergebiete an den äußeren Ecken, und erzwingt
eine konvektive Durchströmung der Totwassergebiete 6
mit Kühlmittel, so, dass sich die Totwassergebiete
füllen, was zu einer weiteren Homogenisierung des
Wärmeüberganges beiträgt. In addition to the
Vorzugsweise werden die Bohrungen 15 je nach
örtlicher Lage mit ihren Bohrungsachsen ungefähr in
Richtung der Stromlinien der Strömung des Kühlmediums
ausgerichtet, so dass - als zusätzlicher Nebeneffekt -
die Austragung von kleinen Partikeln bzw. Staub in der
Kühlluft über die Bohrungen 15 erfolgen kann.Preferably, the
Figur 4 zeigt hierzu eine mögliche Anordnung der
Bohrungen 15 sowie eine günstige Orientierung der
zugehörigen Bohrungsachsen (durch die strichpunktierten
Linien angedeutet). Die Darstellung entspricht einem
Schnitt durch eine Gasturbinenschaufelspitze senkrecht
zur Betrachtungsebene der Figur 3.Figure 4 shows a possible arrangement of the
Figur 5 zeigt eine weitere bevorzugte
Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten Erfindung.
Das Strömungsleitelement 8 weist eine Anzahl Bohrungen
16 auf, welche dazu beitragen, Staub- und
Schmutzansammlungen im äusseren 14 oder inneren 13
Strömungskanal zu vermeiden. Figur 6 zeigt eine weitere
Möglichkeit, diesen Effekt zu erzielen. Das
Strömungsleitelement ist dabei in mehrere Teilelemente,
8a und 8b, unterteilt, zwischen denen ein Spalt
ausgebildet ist, welcher die gleiche Wirkung hat wie
die Bohrungen 16 in Figur 5.Figure 5 shows another preferred
Embodiment of the invention shown in Figure 3.
The
- 11
- Schaufelfußblade
- 2,2a2,2a
- Kühlkanalcooling channel
- 33
- Austrittsschlitze, Hinterkantenausblasung Exit slots, rear edge blow-out
- 44
- Austrittsöffnungenoutlet openings
- 55
- Umlenkungredirection
- 66
- Totwasser- bzw. Rezirkulationsgebiet, Gebiet mit hohem DruckverlustDead water or recirculation area, area with high pressure loss
- 88th
- Strömungsleitendes Element, Strömungs- bzw. UmlenkleitblechFlow guiding element, flow or Umlenkleitblech
- 8a, 8b8a, 8b
- Teilelementepartial elements
- 99
- Erster, stromaufwärtiger, KanalabschnittFirst, upstream, channel section
- 1010
- Zweiter, stromabwärtiger, KanalabschnittSecond, downstream, channel section
- 1111
- Trennwandpartition wall
- 1212
- KühlkanalwandungKühlkanalwandung
- 1313
- Innerer StrömungskanalInner flow channel
- 1414
- Äußerer StrömungskanalOuter flow channel
- 1515
- Auslassbohrungenoutlet bores
- 1616
- Bohrung, DurchtrittsöffnungHole, passage opening
Claims (13)
dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strömungskanal (13) eine Einschnürung im Strömungsquerschnitt aufweist.Component of a turbomachine, in particular a turbine blade, which has a cooling channel (2) through which a cooling medium can flow, with at least one deflection (5) formed by the wall (11, 12) of the cooling channel (2) through which the flow of the cooling medium flows from a first channel section (9) is deflected into a downstream second duct section (10), at least one flow guide element (8) being arranged in the cooling duct (2) in the region of the deflection (5), through which the cooling duct (2) in the deflection (5) is divided into an inner (13) and an outer flow channel (14),
characterized in that the inner flow channel (13) has a constriction in the flow cross section.
dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnürung durch die Formgebung oder Konturierung des Strömungsleitelementes (8) und/oder der Wandung (11, 12) des Kühlkanals (2) bewirkt wird.Component according to claim 1,
characterized in that the constriction is brought about by the shape or contouring of the flow guide element (8) and / or the wall (11, 12) of the cooling channel (2).
dadurch gekennzeichnet, dass der erste (9) und zweite Kanalabschnitt (10) beidseitig einer Trennwand (11) als Teil der Wandung (11, 12) des Kühlkanals verlaufen, wobei die Dicke der Trennwand (11) im Bereich der Umlenkung (5) zunimmt, um die Einschnürung des Strömungsquerschnitts im inneren Strömungskanal (13) zu bewirken.Component according to claim 2,
characterized in that the first (9) and second duct section (10) run on both sides of a partition (11) as part of the wall (11, 12) of the cooling duct, the thickness of the partition (11) increasing in the region of the deflection (5) to effect the constriction of the flow cross section in the inner flow channel (13).
dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement (8) bis in den zweiten Kanalabschnitt (10) hinein erstreckt.Component according to one of Claims 1 to 3,
characterized in that the flow guide element (8) extends into the second channel section (10).
dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement (8) über eine Distanz bis in den zweiten Kanalabschnitt (10) hinein erstreckt, die in etwa dem Abstand zwischen dem Strömungsleitelement (8) und der im inneren Strömungskanal (13) gegenüberliegenden Wandung (11) des Kühlkanals (2) am Übergang des ersten (9) oder zweiten Kanalabschnittes (10) zur Umlenkung (5) entspricht.Component according to claim 4,
characterized in that the flow guide element (8) extends over a distance into the second channel section (10), which is approximately the distance between the flow guide element (8) and the wall (11) of the cooling channel opposite in the inner flow channel (13) (2) at the transition from the first (9) or second channel section (10) to the deflection (5).
dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (8) derart im Kühlkanal (2) angeordnet ist, dass ca. 25 bis 45% des über den ersten Kanalabschnitt (9) eintreffenden Massenstroms an Kühlmedium durch den inneren Strömungskanal (13) strömen.Component according to one of Claims 1 to 5,
characterized in that the flow guide element (8) is arranged in the cooling channel (2) such that approximately 25 to 45% of the mass flow of cooling medium arriving via the first channel section (9) flows through the inner flow channel (13).
dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (8) und/oder die Wandung (11, 12) des Kühlkanals (2) derart ausgebildet sind, sie eine Einschnürung des Strömungsquerschnitts im inneren Strömungskanal (13) um etwa 5 - 20% bewirken.Component according to one of claims 1 to 6,
characterized in that the flow guide element (8) and / or the wall (11, 12) of the cooling channel (2) are designed in such a way that they constrict the flow cross section in the inner flow channel (13) by approximately 5-20%.
dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Strömungskanal (14) ein oder mehrere Auslassbohrungen (15) in der Wandung (12) des Kühlkanals (2) ausgebildet sind, über die ein geringer Teil des Kühlmediums aus dem Kühlkanal (2) austreten kann.Component according to one of Claims 1 to 7,
characterized in that one or more outlet bores (15) are formed in the wall (12) of the cooling channel (2) in the outer flow channel (14), via which a small part of the cooling medium can escape from the cooling channel (2).
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslassbohrungen (15) zumindest annähernd in Richtung lokaler Stromlinien der Strömung des Kühlmediums erstrecken.Component according to claim 8,
characterized in that the outlet bores (15) extend at least approximately in the direction of local streamlines of the flow of the cooling medium.
dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassbohrungen (15) in Eckbereichen der Umlenkung (5) angeordnet sind.Component according to Claim 8 or 9,
characterized in that the outlet bores (15) are arranged in corner regions of the deflection (5).
dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassbohrungen (15) derart dimensioniert sind, dass sie einen Staubaustrag aus dem Kühlmedium ermöglichen.Component according to one of Claims 8 to 10,
characterized in that the outlet bores (15) are dimensioned such that they enable dust to be removed from the cooling medium.
dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassbohrungen (15) in gering durchströmten Totwassergebieten (6) des Kühlkanals angeordnet sind, und dort die Aufrechterhaltung einer konvektiven Kühlmediums-Durchströmung gewährleisten.Component according to one of Claims 8 to 11,
characterized in that the outlet bores (15) are arranged in dead water areas (6) of the cooling channel with low flow, and there ensure the maintenance of a convective flow of cooling medium.
dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (8) geeignete Mittel (16) und/oder eine geeignete Ausgestaltung aufweist um eine einseitige Staubansammlung zu vermeiden.Component according to one of Claims 1 to 12,
characterized in that the flow guide element (8) has suitable means (16) and / or a suitable configuration in order to avoid one-sided dust accumulation.
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