Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung geht aus von einer kühlbaren Schaufel nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruches.
Stand der Technik
[0002] Derartige kühlbare Schaufel sind bekannt aus GB 2 165 315. Dort wird Kühlfluid über
durch Trennwände gebildete Windungen vom Hinterkantenbereich der Schaufel zum Vorderkantenbereich
geleitet und dann über Oeffnungen im Schaufelkopf ausgeblasen. Um den Hinterkantenbereich
der Schaufel ausreichend zu kühlen, bläst man Luft aus der Hinterkante der Schaufel
aus.
Diese Methode kann jedoch bei Hinterkanten mit kleinen Radii aus Fertigungsgründen
nicht angewendet werden. Um eine Kühlung der Hinterkante zu erreichen, ist zudem eine
grosse Anzahl von Filmkühlungslöchern notwendig, was die Herstellung der Schaufel
sehr aufwendig macht. Weiter kann die Hinterkantenausblasung zu einer Verringerung
des aerodynamischen Wirkungsgrades der Schaufel führen, da ein grösserer Hinterkantenradius
benötigt wird.
Aus der DE 1 601 627 ist ebenfalls eine gekühlte Schaufel bekannt, die an ihrem Hinterkantenbereich
einen radial verlaufenden, zur Schaufelspitze hin divergierenden Kühlkanal aufweist.
Ueber eine grössere Eintrittsöffnung wird der Kühlkanal mit Kühlluft gespeist. Die
Querschnittsfläche dieses Kühlkanales ist dabei in der Schaufelmitte ungefähr gleich
gross wie derjenige des Hauptkanales, im Bereich der Schaufelspitze sogar grösser
als derjenige des Hauptkanales. Die Wärmeübertragungsraten im Hinterkantenbereich
der Schaufel sind deshalb nicht besser als diejenigen im Mittelteil der Schaufel und
eine genügende Kühlung der Hinterkantenbereiche der Schaufel lässt sich bei einer
thermisch stark belasteten Schaufel nicht mehr gewährleisten.
Darstellung der Erfindung
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer kühlbaren Schaufel der eingangs
genannten Art die Kühlung des Hinterkantenbereiches der Schaufel zu verbessern und
einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad der Schaufel zu erzielen.
[0004] Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.
[0005] Kern der Erfindung ist es also, dass im Hinterkantenbereich ein im wesentlichen radial
verlaufender, mit wachsendem Radius in der Fläche sich vergrössernder Kühlkanal angeordnet
ist, der über eine Eintrittsöffnung mit dem Hohlraum verbunden ist und dass der Kühlkanal
mit dem Hohlraum über mindestens einen Verbindungskanal verbunden ist.
[0006] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass das durch den
Kühlkanal geleitete Kühlfluid im Bereich des Schaufelkopfes aus der Schaufel ausgeblasen
wird und somit keinen Einfluss auf die Aerodynamik der Schaufel nimmt. Weiter lassen
sich kleine Hinterkantenradien verwirklichen, da nicht an der Hinterkante der Schaufel
ausgeblasen werden muss. Durch die divergente Ausgestaltung des Kühlkanales wird eine
effektive Kühlung des Hinterkantenbereiches der Schaufel erzielt. Durch die Ausgestaltung
des divergenten Kanals lässt sich die Kühlung lokaler Gebiete gut einstellen. Zudem
kann bei Laufschaufeln mit Deckplatten der stark kriechgefährdete obere Bereich zum
Schaufelkopf hin besonders gut gekühlt werden.
Unter Verwendung des divergierenden Kühlkanales wird deutlich weniger Kühlluft benötigt
als beispielsweise bei einer Filmkühlung der Hinterkante. Schaufeln mit dem divergierenden
Kühlkanal können zudem im Gussverfahren hergestellt werden.
[0007] Der Kühlkanal
ist mit dem Hohlraum über mindestens einen Verbindungskanal zu verbinden. Die Verbindungskanäle
zwischen dem Hohlraum und dem Kühlkanal wirken als Absaugstellen für Kühlluft aus
dem Hohlraum und intensivieren die Wärmeübertragung im Hinterkantenbereich des Hohlraumes.
Durch die Verbindungskanäle tritt das Kühlfluid strahlförmig in den Kühlkanal ein
und erzeugt extrem hohe Wärmeübergangszahlen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0008] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen
Darstellung einer Schaufel einer Strömungsmaschine dargestellt.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt durch die Schaufel;
- Fig. 2
- einen Teilquerschnitt durch die Schaufel entlang der Linie ll-ll in Fig. 1
- Fig. 3
- einen Teilquerschnitt durch die Schaufel entlang der Linie III-III in Fig. 1
- Fig. 4
- einen Teillängsschnitt durch eine weitere erfindungsgemässe Schaufel;
- Fig. 5
- einen Teillängsschnitt durch eine weitere erfindungsgemässe Schaufel.
[0009] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0010] In Fig. 1 und 2 ist eine Schaufel 10 einer Strömungsmaschine dargestellt, bestehend
aus einem Schaufelblatt 1 und einem Schaufelfuss 11, mit dem die Schaufel 10 montiert
werden kann. Zwischen Schaufelblatt 1 und Schaufelfuss 11 ist üblicherweise eine Plattform
12 angeordnet, welche den Schaufelfuss von den das Schaufelblatt umströmenden Fluiden
abschirmt. Das Schaufelblatt 1 weist einen Vorderkantenbereich 3, einen Hinterkantenbereich
4, eine saugseitige Wand 5 und eine druckseitige Wand 6 auf, wobei die saugseitige
und die druckseitige Wand im Bereich der Vorderkante 3 und der Hinterkante 4 miteinander
verbunden sind, wodurch ein Hohlraum 2 mit einer Querschnittsfläche A2 gebildet wird.
Der Vorderkantenbereich 3 wird jeweils von den das Schaufelblatt 1 umströmenden Fluiden
zuerst beaufschlagt. Der Hohlraum 2 verläuft im wesentlichen in radialer Richtung
durch die Schaufel 10 und dient als Kühlfluiddurchlass für ein Kühlfluid 20.
[0011] Im Bereich der Hinterkante 4 ist ein radial verlaufender Kühlkanal 7 mit einer Querschnittsfläche
A7 angeordnet, der in Strömungsrichtung zu einem Schaufelkopf 13 der Schaufel 10 hin
divergiert.
[0012] Der Kühlkanal 7 ist über Verbindungskanäle 8 mit einer Querschnittsfläche A8 und
eine Eintrittsöffnung 9 in einem Schaufelblattmittenbereich 14 mit dem Hohlraum 2
verbunden. Nicht dargestellt ist, dass die Eintrittsöffnung 9 des Kühlkanales auch
an beliebigen Orten angeordnet werden kann, beispielsweise näher beim Schaufelfuss
oder im Schaufelfuss. Ueblicherweise wird der Kühlkanal 7 jedoch im stromabwärtigen
Teil der Schaufel ungefähr ab der Mitte 14 des Schaufelblattes angeordnet, da dort
die Belastung und Kriechgefährdung am grössten ist.
[0013] Kühlfluid 20 strömt durch den Hohlraum 20 und über die Eintrittsöffnung 9 und die
Verbindungskanäle 8 in den Kühlkanal 7. Dadurch wird die Strömungszirkulation im Bereich
der Hinterkante im Hohlraum 2 angeregt. Erhitztes Kühlfluid, welches die Tendenz hat
im Bereich der Hinterkante wegen der örtlich erhöhten Reibung hängenzubleiben, wird
dadurch mit kühlerem Kühlfluid gemischt, speziell auch mit dem in den Kühlkanal 7
eintretenden Kühlfluid.
Der Hinterkantenbereich wird durch das durch den Kühlkanal 7 geleitete Kühlfluid gekühlt,
wobei der Wärmeübergangskoeffizient im Kühlkanal 7 von der Schaufelblattmitte zum
Schaufelkopf hin zunimmt. Dies ist bedingt durch den ansteigenden Kühlfluidmassenfluss
im Kühlkanal 7, der durch die weitere Einspeisung von Kühlfluid über die Verbindungskanäle
8 bewirkt wird. Dies verbessert die Kühlung des Schaufelblattkopfes 13.
Durch die Auslegung des Kühlkanales, der Eintrittsöffnung sowie der Verbindungskanäle
kann die Strömungszirkulation im Hinterkantenbereich des Hohlraumes sowie die Kühlleistung
des Hinterkantenbereiches eingestellt werden. Zudem wird der Divergenzwinkel des Kühlkanales
mit der Anzahl der Verbindungskanäle vom Hohlraum so angepasst, dass die Kühlung der
Schaufel optimal ist.
Die Querschnittsfläche A8 der Verbindungskanäle 8 ist dabei kleiner als die Querschnittsfläche
A7 des Kühlkanales 7 und diese wiederum
ist viel kleiner als die Querschnittsfläche A2 des Hohlraumes 2 (A8 < A7 << A2). A8 zu
A2 beträgt dabei vorzugsweise einige Prozent, insbesondere 1 - 5%, A8 zu A7 beträgt
dabei vorzugsweise mehrere Zehntel, insbesondere 30 - 100%, A7 zu A2 beträgt dabei
vorzugsweise einige Prozent, insbesondere 1 - 10%.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Fluide durch die Verbindungskanäle als auch im
divergierenden Kanal 7 ist durch die gewählte Geometrie viel grösser als diejenige im
Kühlkanal A2.
Durch entsprechende Auslegung der Querschnitte A8, A7 und A2 wird erreicht, dass die
Strömungsgeschwindigkeit der Fluide im Kühlkanal 7 ungefähr gleich schnell bleibt
oder mit wachsendem Radius leicht ansteigt.
[0014] In Fig. 3 ist die Zunahme der Querschnittsfläche des Kühlkanales 7 zum Schaufelkopf
13 hin sowie der Verbindungskanal 8 dargestellt.
Eine Nusselt-Zahl Nu ist definiert als das Verhältnis der konvektiv abgeführten zur
geleiteten Wärmemenge. Die Nusselt-Zahl des Kühlkanales Nu
Kühlkanal ist hierbei um ein mehrfaches höher als die Nusselt-Zahl in einem glatten Hohlraum
(A2) NU
Hohlraum. So wurde beispielsweise experimentell festgestellt, dass Nu
Kühlkanal / Nu
Hohlraum.= 10 - 15 beträgt.
[0015] In Fig. 4 sind im Hohlraum 2 an der saugseitigen Wand 5 V-förmige Rippen 30 mit einer
Spitze 31 und Schenkeln 32, 33 angeordnet. Die Schenkel der Rippen sind dabei in einem
Winkel 34 zur Hauptströmungsrichtung des Kühlfluides 20 angewinkelt. Der Winkel 34
beträgt dabei 30 bis 60°, vorzugsweise 40 bis 50° und insbesondere 45°. Das Verhältnis
von Rippenhöhe zu Hohlraumhöhe ist an jeder Stelle der Rippe im wesentlichen gleich
und liegt zwischen 5 bis 50%. Die Spitze der Rippe 30 ist an der Stelle angeordnet,
wo die Rippenhöhe maximal ist. In den Bereichen wo der Hohlraum 2 in den Vorder- und
Hinterkantenbereich übergeht, verjüngt sich die Rippe 30, um den Durchtritt des Kühlfluides
in diesen Bereichen nicht zu hemmen.
Die nicht dargestellten, auf der Innenseite der druckseitigen Wand 6 angeordneten
Rippen sind ebenfalls V-förmig. Die Spitze liegt ebenfalls an der Stelle wo die Rippenhöhe
maximal ist. Die Rippen sind auf der druck- und der saugseitigen Wand gegeneinander
in Strömungsrichtung versetzt angeordnet, so dass die Strömung nacheinander auf eine
Rippe 30 der Saugseite 5 und eine Rippe der Druckseite trifft. Vorteilhafterweise
werden die Rippen jeweils in der Mitte zwischen den Rippen der gegenüberliegenden
Wand angeordnet. Durch die Rippen in Kombination mit dem Kühlkanal 7 wird eine Kühlung
der Schaufel gewährleistet, die zu einer gleichmässigen Wandtemperaturverteilung führt.
[0016] In Fig. 5 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung des Hohlraumes 2 dargestellt, wie
sie beispielsweise aus der eingangs erwähnten GB 2 165 315 bekannt ist. Das Kühlfluid
20 wird hier über durch Trennwände 40, 41 gebildete Windungen vom Hinterkantenbereich
der Schaufel zum Vorderkantenbereich geleitet und dann über eine Oeffnung 42 im Schaufelkopf
13 ausgeblasen. Auch hier ist im Hinterkantenbereich ein divergierender Kühlkanal
7 zur Kühlung des Hinterkantenbereiches angeordnet.
[0017] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt. Die Ausgestaltung des Hohlraumes und damit des Kühlfluiddurchlasses kann
auch anders erfolgen als dargestellt, beispielsweise als mehrere einzelne Kühlkanäle.
Wesentlich ist die Ausbildung des divergierenden Kühlkanales in Verbindung mit den
Verbindungskanälen zwischen
divergierendem Kanal und Hauptkanal. Die Querschnittsflächen A2, A7 und A8 werden jeweils senkrecht zur
Strömungsrichtung der die Hohlräume durchströmenden Fluide gemessen.
Bezugszeichenliste
[0018]
- 1
- Schaufelblatt
- 2
- Hohlraum
- 3
- Vorderkantenbereich
- 4
- Hinterkantenbereich
- 5
- saugseitige Wand
- 6
- druckseitige Wand
- 7
- Kühlkanal
- 8
- Verbindungskanal
- 9
- Eintrittsöffnung
- 10
- Schaufel
- 11
- Schaufelfuss
- 12
- Plattform
- 13
- Schaufelkopf
- 14
- Schaufelblattmittenbereich
- 20
- Kühlfluid
- 30
- Rippe
- 31
- Spitze
- 32, 33
- Schenkel
- 34
- Anstellwinkel
- 40, 41
- Trennwand
- 42
- Oeffnung
- A2
- Querschnittsfläche Hohlraum
- A7
- Querschnittsfläche Kühlkanal
- A8
- Querschnittsfläche Verbindungskanal
1. Kühlbare Schaufel (10), im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelfuss (11) und
einem Schaufelblatt (1), welches aus einer druckseitigen (6) und einer saugseitigen
Wand (5) aufgebaut ist, die im wesentlichen über einen Hinterkantenbereich (4) und
einen Vorderkantenbereich (3) so miteinander verbunden sind, dass mindestens ein als
Kühlfluiddurchlass verwendeter Hohlraum (2) gebildet wird, wobei der Hohlraum vom Schaufelfuss her mit Kühlmittel versorgt wird und wobei im Hinterkantenbereich (4) ein im wesentlichen radial verlaufender, divergierender
Kühlkanal (7) angeordnet ist, der sich bis zum Schaufelkopf (13) erstreckt und der über eine Eintrittsöffnung (9) mit dem Hohlraum (2) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkanal (7) mit dem Hohlraum (2) über mindestens einen weiteren Verbindungskanal
(8) verbunden ist, welcher zwischen Eintrittsöffnung (9) und Schaufelkopf (13) angeordnet ist.
2. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Hohlraum (2) mindestens eine Rippe (30) so ausgestaltet ist, dass sie eine
Spitze (31) und zwei Schenkel (32, 33) aufweist und dass die Schenkel der Rippe in
einem spitzen Winkel (34) gegenüber der Hauptströmungsrichtung eines Kühlfluides (20)
angewinkelt sind.
1. Coolable blade (10), essentially comprising a blade root (11) and a blade body (1),
which is composed of a pressure-side wall (6) and a suction-side wall (5), which are
connected to one another essentially via a trailing-edge region (4) and a leading-edge
region (3) in such a way that at least one hollow space (2) used as a cooling-fluid
passage is formed, the hollow space being supplied with coolant from the blade root,
and an essentially radially running, diverging cooling passage (7) being arranged
in the trailing-edge region (4), which cooling passage (7) extends up to the blade
head (13) and is connected to the hollow space (2) via an inlet opening (9), characterized
in that the cooling passage (7) is connected to the hollow space (2) via at least
one further connecting passage (8), which is arranged between inlet opening (9) and
blade head (13).
2. Coolable blade according to Claim 1, characterized in that, in the hollow space (2),
at least one rib (30) is configured in such a way that it has an apex (31) and two
legs (32, 33), and in that the legs of the rib are bent at an acute angle (34) relative
to the main flow direction of a cooling fluid (20) .
1. Aube pouvant être refroidie (10), se composant essentiellement d'une base (11) et
d'une pale (1), qui est construite à partir d'une paroi côté refoulement (6) et d'une
paroi côté aspiration (5), lesquelles sont raccordées l'une à l'autre essentiellement
par une région de bord arrière (4) et une région de bord avant (3) de telle sorte
qu'au moins un espace creux (2) utilisé en tant que passage pour le fluide de refroidissement
soit formé, l'espace creux étant alimenté en fluide de refroidissement depuis la base
de l'aube et un canal de refroidissement (7) divergent s'étendant essentiellement
radialement étant disposé dans la région du bord arrière (4) et s'étendant jusqu'à
la tête de l'aube (13) et étant raccordé par le biais d'une ouverture d'admission
(9) à l'espace creux (2), caractérisée en ce que le canal de refroidissement (7) est
raccordé à l'espace creux (2) par le biais d'au moins un autre canal de raccordement
(8) qui est disposé entre l'ouverture d'admission (9) et la tête de l'aube (13).
2. Aube pouvant être refroidie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins
une nervure (30) est configurée dans l'espace creux (2), en ce qu'elle présente une
pointe (31) et deux branches (32, 33) et en ce que les branches de la nervure sont
inclinées suivant un angle aigu (34) par rapport à la direction principale de l'écoulement
d'un fluide de refroidissement (20).