Turbinenschaufel

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine mit einer Turbinenschaufelwand (1), in der wenigstens ein Fluidkanal (2) ausgebildet ist, durch welchen ein Kühlfluid von einer Kaltgasseite zu einer von Heißgas überströmten Oberfläche, d.h. der Heißgasseite der Turbinenschaufelwand (1) strömen kann, und wobei der wenigstens eine Fluidkanal (2) an seinem zur Kaltseite weisenden Endbereich einen Einström-Kanalabschnitt (2a), an seinem zur Heißseite der Turbinenschaufelwand (1) weisenden Endbereich einen Ausström-Kanalabschnitt (2b) und zwischen dem Einström-Kanalabschnitt (2a) und dem Ausström-Kanalabschnitt (2b) einen zentralen Kanalabschnitt (2c) mit einem über die Länge konstanten, kreisförmigen oder ovalen Querschnitt besitzt, der eine Längsachse (X) des Fluidkanals (2) definiert, welche mit der von Heißgas überströmten Oberfläche der Turbinenschaufelwand (1) einen spitzen Winkel einschließt, wobei der Fluidkanal (2) zwischen dem Einström-Kanalabschnitt (2a) und dem zentralen Kanalabschnitt (2c) einen Zwischen-Kanalabschnitt (2d) aufweist, der eine größere Querschnittsfläche als der zentrale Kanalabschnitt (2c) besitzt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine mit einer Turbinenschaufelwand, in der wenigstens ein Fluidkanal ausgebildet ist, durch welchen ein Kühlfluid von einer Kaltseite zu einer von Heißgas überströmten Oberfläche, d.h. der Heißgasseite der Turbinenschaufelwand strömen kann, und wobei der wenigstens eine Fluidkanal an seinem zur Kaltgasseite weisenden Endbereich einen Einström-Kanalabschnitt, an seinem zur Heißgasseite der Turbinenschaufelwand weisenden Endbereich einen Ausström-Kanalabschnitt und zwischen dem Einström-Kanalab- schnitt und dem Ausström-Kanalabschnitt einen zentralen Kanalabschnitt mit einem über seine Länge konstanten, kreisförmigen oder ovalen Querschnitt besitzt, der eine Längsachse des Fluidkanals definiert, welche mit der von Heißgas überströmten Oberfläche der Turbinenschaufelwand einen spitzen Winkel einschließt.

[0002] Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen (im weiteren Sinn), weisen eine Gasturbine (im engeren Sinn) auf, in der ein Heißgas, welches zuvor in einem Verdichter komprimiert und in einer Brennkammer erhitzt wurde, zur Arbeitsgewinnung entspannt wird. Für hohe Massenströme des Heißgases und damit hohe Leistungsbereiche sind Gasturbinen in Axialbauweise ausgeführt, wobei die Gasturbine von mehreren in Durchströmungsrichtung hintereinander liegenden Schaufelkränzen gebildet ist. Die Schaufelkränze weisen über ihren Umfang angeordnete Laufschaufeln und Leitschaufeln auf, wobei die Laufschaufeln an einem Rotor der Gasturbine und die Leitschaufeln an dem Gehäuse der Gasturbine befestigt sind.

[0003] Der thermodynamische Wirkungsgrad von Gasturbinen ist um so höher, je höher die Eintrittstemperatur des Heißgases in die Gasturbine ist. Der Höhe der Eintrittstemperatur sind jedoch Grenzen durch die thermische Belastbarkeit der Turbinenschaufeln gesetzt. Dementsprechend besteht eine Zielsetzung darin, Turbinenschaufeln zu schaffen, die auch bei hohen thermischen Belastungen eine für den Betrieb der Gasturbine ausreichende mechanische Festigkeit besitzen. Hierzu werden Turbinenschaufeln mit aufwendigen Beschichtungssystemen versehen. Zur weiteren Erhöhung der zulässigen Turbineneintrittstemperatur werden Turbinenschaufeln im Betrieb der Gasturbine gekühlt. Hierbei stellt die Filmkühlung eine sehr wirksame und zuverlässige Methode zur Kühlung von hochbeanspruchten Turbinenschaufeln dar. Dabei wird Kühlluft aus dem Verdichter abgezapft und in die in mit internen Kühlkanälen versehenen Turbinenschaufeln geführt. Nach einer konvektiven Kühlung des Materials von der Innenseite der Turbinenschaufeln her wird die Luft durch Fluidkanäle auf die Außenoberfläche der Turbinenschaufel geleitet. Dort bildet sie einen Film, der entlang der Außenoberfläche der Turbinenschaufel strömt und diese kühlt sowie gleichzeitig vor der heißen Strömung schützt.

[0004] Eine ideale Filmkühlung könnte mit Hilfe einer Schlitzausblasung erreicht werden. Da dies aus strukturmechanischer Hinsicht an Turbinenschaufeln nicht realisierbar ist, werden in erster Linie aufgrund der Fertigbarkeit zylindrische Fluidkanäle oder auch Fluidkanäle mit ovalem Querschnitt eingesetzt. Des Weiteren ist bekannt, in Annäherung an das Prinzip der Schlitzkühlung den Querschnitt der Fluidkanäle an deren Auslass, d.h. in deren Ausström-Kanalabschnitt diffusorartig aufzuweiten. Hierbei wird der Austrittsquerschnitt um einen bestimmten Faktor vergrößert. Dies führt zu einer Auffächerung des Kühlluftstrahls, die abhängig von der Strömungssituation mit einer Absenkung des Strahlimpulses, niedrigeren Mischungsverlusten und größerer lateraler Abdeckung einhergeht. Allgemein gilt, dass kontourierte Bohrungen zu einer Erhöhung der Effektivität im Bereich der Fluidkanallängsachse und insgesamt zu einer besseren lateralen Abdeckung führen.

[0005] Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Kühlluft in den Fluidkanälen bzw. Kühlkanälen von deren Wandung ablöst. Wie in der Figur 10 dargestellt ist, findet eine derartige Ablösung insbesondere im diffusorartig ausgebildeten Ausström-Kanalabschnitt des Fluidkanals statt, und zwar an dessen in Bezug auf die Strömungsrichtung des Heißgases betrachtet stromabwärtigen bzw. zur Kaltgasseite gelegenen Wandbereich. Des Weiteren haben Untersuchungen gezeigt, dass es beim Durchströmen der Fluidkanäle zu Wirbelbildungen kommt, wie sie in Figur 11 dargestellt sind. Im Wesentlichen lassen sich vier verschiedene Wirbelstrukturen identifizieren.

[0006] Ringwirbel Ω1: Der Kühlluftstrahl wirkt wie ein geneigter Zylinder auf die Hauptströmung und beschleunigt diese. Es bilden sich Druckdifferenzen zwischen der stromauf- und stromabgewandten Seite sowie der Oberseite des Kühlluftstrahls, die zu einer Ausgleichsströmung führen. Dadurch bilden sich Ringwirbel Ω1. Die Rotation der austretenden Grenzschicht der Kühlluft unterstützt diesen Effekt.

[0007] Nierenwirbel Ω2: Die Nierenwirbel sind ein Ergebnis eines im Fluidkanal entstehenden Wirbelpaars. Reibungskräfte in der freien Scherschicht zwischen dem austretenden KühlfluidStrahl und der Hauptströmung verstärken die Rotation zusätzlich.

[0008] Hufeisenwirbel Ω3: Hufeisenwirbel Ω3 entstehen im Staubereich eines senkrecht in einer Grenzschichtströmung stehenden Zylinders. In Wandnähe ist der Druck in der Grenzschicht minimal. In der äußeren Schicht der Hauptströmungsgrenzschicht bildet sich dagegen ein positiver Druckgradient. Die Grenzschicht löst sich ab und rollt sich entgegen der Hauptströmung in Richtung des Druckminimums an der Wand ein. Der entstehende Wirbel legt sich beidseitig um den Zylinder. Die Rotationsrichtung der Hufeisenwirbel Ω3 ist der der benachbarten Nierenwirbel Ω2 entgegengesetzt, und die Hufeisenwirbel Ω3 verlaufen bei Einzellochausblasung seitlich unterhalb des Kühlluftstrahls.

[0009] Instationäre Wirbel Ω4: Die instationären Wirbel sind vergleichbar mit Kärmän-Wirbeln im Nachlauf eines Zylinders. Ursache für die Wirbelbildung ist die Grenzschichtablösung auf der Saugseite des Zylinders. Die instationären Wirbel Ω4 entstehen senkrecht auf der gekühlten Oberfläche.

[0010] Trifft also Heißgas aus einer Brennkammer der Strömungsmaschine an der Außenoberfläche der Turbinenschaufel auf einen Strahl des aus dem Fluidkanal ausgetretenen Kühlfluids, so teilt sich die Strömung des Heißgases um den Kühlfluidstrahl auf, und es bildet sich durch die Wirkung des Heißgases am Strahlrand ein Schornsteinwirbel mit zwei Wirbelarmen Ω2 aus. Jeder der beiden Wirbelarme Ω2 ist von einem Wirbel gebildet, wobei die Geschwindigkeitsvektoren des Heißgases an den beiden Innenseiten der Wirbelarme von der Außenwand weg zeigen.

[0011] Um die Wirbelbildung zu beeinflussen, ist es bekannt, in den Fluidkanälen Turbulatoren in der Form von Rippen oder Pins vorzusehen (siehe WO 2013/089255 A1 und US 2009/0304499 A1).

[0012] Die Bestrebungen gehen dahin, die Filmkühlleistung weiter zu erhöhen. Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine zu schaffen, die effektiv mit einer Filmkühlung kühlbar ist.

[0013] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Fluidkanal zwischen dem Einström-Kanalabschnitt und dem zentralen Kanalabschnitt einen Zwischen-Kanalabschnitt aufweist, der eine größere Querschnittsfläche als der zentrale Kanalabschnitt besitzt.

[0014] Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, den Fluidkanal in seinem einströmseitigen Endbereich mit einem vergrößerten Strömungsquerschnitt zu versehen. Hierzu ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zwischen dem zentralen Kanalabschnitt und dem Einström-Kanalabschnitt ein Zwischen-Kanalabschnitt vorgesehen, der über seine Länge einen konstanten, bevorzugt kreisförmigen oder ovalen Querschnitt besitzt, wobei die Längsachse des Zwischen- Kanalabschnitts gegenüber der Längsachse des zentralen Fluidkanalabschnitts versetzt ist und insbesondere parallel zu dieser verläuft. Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäß vorgenommene Änderung der Geometrie die Strömung des Kühlfluids in dem Fluidkanal in der Weise beeinflusst werden kann, dass die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten im Fluidkanal derart angepasst werden, dass einerseits sich das in Abbildung 11 gezeigte Wirbelpaar Ω2 genau anders herum dreht und andererseits die Ablösung im Diffusor zur stromaufwärtigen Seite verlagert werden kann, wie dies in der Figur 9 gezeigt ist. Beide Effekte haben einen positiven Einfluss auf die Filmkühleffektivität und können insbesondere die laterale Ausdehnung des Kühlfluidstrahls bewirken.

[0015] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der zentrale Kanalabschnitt an den Zwischen- Kanalabschnitt unter Bildung einer dazwischen liegenden, senkrecht zur Längsachse des Fluidkanals liegenden Schulterfläche anschließt.

[0016] Alternativ kann im Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt und dem zentralen Kanalabschnitt eine Schulterfläche ausgebildet sein, welche in einer zur Längsachse des Fluidkanals unter einem Winkel α≠90°, beispielsweise etwa 45° geneigten Ebene liegt. Dabei ist bevorzugt die Schulterfläche an einem Wandbereich des Fluidkanals ausgebildet, während am gegenüberliegenden Wandbereich der Zwischen-Kanalabschnitt und der zentrale Kanal-Abschnitt geradlinig, d.h. ohne Schulterbildung, ineinander übergehen. Insbesondere kann hier die Wandung des Fluidkanals über dessen ganze Länge geradlinig verlaufen. Alternativ kann aber auch hier eine Schulter mit einer geringen Schulterhöhe ausgebildet sein.

[0017] Die Schulterfläche liegt bevorzugt an dem der Heißgasseite oder der Kaltgasseite zugewandten Wandbereich des Fluidkanals.

[0018] Es hat sich gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der zentrale Kanalabschnitt gegenüber dem Zwischen-Kanalabschnitt eine um wenigstens 30%, insbesondere um wenigstens 40% und bevorzugt wenigstens 60% kleinere Querschnittsfläche aufweist.

[0019] Wenn der zentrale Kanalabschnitt und der Zwischen-Kanal- abschnitt jeweils einen kreisrunden Querschnitt besitzen, stehen der Durchmesser D des Zwischen-Kanalabschnitts und der Durchmesser d des zentralen Kanalabschnitts bevorzugt in dem Verhältnis D/d=1,3 bis 1,7, insbesondere D/d=1,5.

[0020] Der Ausström-Kanalabschnitt kann in an sich bekannter Weise diffusorartig mit einem sich erweiternden Querschnitt ausgebildet sein. Dabei verläuft die Wandung des Fluidkanals an ihrem der Kaltgasseite zugewandten Wandbereich in der Richtung der Längsachse des Fluidkanals und schließt sich geradlinig an den zentralen Kanalabschnitt an. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Ausström-Kanalabschnitt über seine gesamte Länge einen gleichbleibenden, insbesondere runden Querschnitt besitzt. Dabei verläuft der Ausström-Kanal Abschnitt bevorzugt konzentrisch zu dem zentralen Kanalabschnitt und besitzt den gleichen Querschnitt wie dieser.

[0021] Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels verwiesen. In Zeichnung zeigt

Figur 1

einen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufelwand mit einem Fluidkanal, der erfindungsgemäß ausgestaltet ist,

Figur 2

eine Variante der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufelwand im Längsschnitt,

Figur 3

eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V in Figur 1, in der die Querschnittsgeometrien des Fluidkanals im Zwischen-Kanalabschnitt und dem zentralen Kanalabschnitt erkennbar sind,

Figur 4

eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V in Figur 1, in der alternative Querschnittsgeometrien des Fluidkanals im Zwischen-Kanalabschnitt und dem zentralen Kanalabschnitt dargestellt sind,

Figur 5

eine Schnittansicht durch eine Turbinenschaufelwandung mit einem weiteren erfindungsgemäß ausgebildeten Fluidkanal gemäß der vorliegenden Erfindung,

Figur 6

eine Schnittansicht durch eine Turbinenschaufelwand mit einer dritten Ausführungsform eines Fluidkanals gemäß der vorliegenden Erfindung,

Figur 7 bis 9

Varianten der in Figur 6 dargestellten Turbinenschaufelwand im Längsschnitt,

Figur 10

einen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufelwand mit einer vierten Ausführungsform eines Fluidkanals gemäß der vorliegenden Erfindung,

Figur 11

eine Querschnittsansicht entlang der Linien A-A in den Figuren 6 und 10, in der die Querschnittsgeometrien des Fluidkanals im Zwischen-Kanalabschnitt und im zentralen Kanalabschnitt dargestellt sind,

Figur 12

eine dreidimensionale Darstellung des in Figur 10 dargestellten Fluidkanals im Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt und dem zentralen Kanalabschnitt,

Figur 13

eine schematische Darstellung, welche die Lage der Ablösung des Kühlfluids im Diffusor bei der Ausgestaltung des Fluidkanals gemäß den Figuren 1, 5 und 6 zeigt,

Figur 14

eine schematische Darstellung, welche das Ablöseverhalten des Kühlfluids im Diffusor bei herkömmlichen Fluidkanälen mit einem Diffusor zeigt, und

Figur 15

eine schematische Darstellung, welche die Wirbelbildung einer zylindrischen Filmkühlbohrung zeigt.

[0022] In der Figur 1 ist in einem Längsschnitt ein Ausschnitt einer Turbinenschaufelwand 1 dargestellt, in der ein Fluidkanal 2 ausgebildet ist, durch welchen ein Kühlfluid wie beispielsweise Kühlluft von einer Kaltgasseite der Turbinenschaufel - hier dem Innenraum der Turbinenschaufel - zu einer von Heißgas überströmten Außenoberfläche der Turbinenschaufelwand 2, welche eine Heißgasseite der Turbinenschaufel bildet, strömen kann. Der Fluidkanal 2 weist an seinem zur Kaltgasseite weisenden Endbereich einen Einström-Kanalabschnitt 2a mit einer Fluideinlassöffnung 3, an seinem zur Heißgasseite der Turbinenschaufelwand 1 weisenden Endbereich einen sich diffusorartig erweiternden Ausström- Kanalabschnitt 2b mit einer Fluidauslassöffnung 4 und zwischen dem Einström-Kanalabschnitt 2a und dem Ausström- Kanal Abschnitt 2b einen zentralen Kanalabschnitt 2c, der eine Längsachse X des Fluidkanals 2 definiert und über seine Länge einen konstanten kreisförmigen oder ovalen Querschnitt besitzt, auf. Die Längsachse X des Fluidkanals 2 schließt mit der vom Heißgas überströmten Oberfläche der Turbinenschaufelwand 1 einen spitzen Winkel ein, der zwischen der Längsachse X und der Oberfläche an der Anströmseite bzw. stromaufwärts gelegenen Seite des Fluidkanals gemessen wird. Zwischen dem Einström-Kanalabschnitt 2a und dem zentralen Kanalabschnitt 2c ist ein Zwischen-Kanalabschnitt 2d vorgesehen, der eine größere Querschnittsfläche als der zentrale Kanalabschnitt 2c besitzt. In der Figur 1 ist erkennbar, dass der Einström-Kanalabschnitt 2a und der Zwischen-Kanalabschnitt 2d als eine durchgehende Bohrung ausgebildet sind, so dass sich der Zwischen-Kanalabschnitt 2d an den Einström-Kanalabschnitt 2a geradlinig anschließt und über seine Länge einen konstanten Querschnitt besitzt.

[0023] Der Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c ist scharfkantig ausgebildet, wobei die Wandung des Fluidkanals 2 auf derjenigen Seite des Fluidkanals 2, welcher der Kaltgasseite zugewandt ist, geradlinig verläuft, und am gegenüberliegenden, der Heißgasseite zugewandten Wandungsbereich eine Schulterfläche 5 zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c gebildet wird, welche senkrecht zu der Längsachse X des Fluidkanals 2 liegt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, wie in Figur 2 gezeigt, die Schulterfläche 5 zwischen dem Zwischen-Kanal- abschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c an dem der Kaltgasseite zugewandten Wandungsbereich auszubilden, wobei dann an der gegenüberliegenden, d.h. zum Heißgasseite zugewandten Wandungsbereich die Wandung des Fluidkanals 2 geradlinig, d.h. ohne Schulterbildung verläuft.

[0024] In den Figuren 3 und 4 ist der Übergang vom Zwischen-Kanalabschnitt 2d zum zentralen Kanalabschnitt 2c des Fluidkanals 2 gut erkennbar. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 besitzen der Zwischen-Kanalabschnitt 2d und der zentrale Kanalabschnitt 2c jeweils einen kreisrunden Querschnitt, wobei der Durchmesser D des Zwischen-Kanalabschnitts 2d deutlich größer als der Durchmesser 2d des zentralen Kanalabschnitts 2c ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Durchmesserverhältnis D/d etwa 1,5.Daraus resultiert, dass die Querschnittsfläche des zentralen Kanalabschnitts 2c eine um etwa 55% kleinere Querschnittsfläche als der Zwischen-Kanalabschnitt 2d besitzt. An dem stromabwärts gelegenen Wandbereich des Fluidkanals 2 geht der Zwischen-Kanalabschnitt 2d geradlinig in den zentralen Kanalabschnitt 2c über, während in den übrigen Umfangsbereichen die Schulterfläche 5 zwischen den beiden Kanalabschnitten 2d, 2c gebildet wird.

[0025] Bei der Ausführungsform gemäß der Figur 4 besitzen der Zwischen-Kanalabschnitt 2d einen ovalen Querschnitt und der zentrale Kanalabschnitt 2c einen kreisrunden Querschnitt. Aufgrund der ovalen Ausgestaltung des Zwischen-Kanalabschnitts 2d ist die Schulterfläche 5 nur an dem stromaufwärts gelegenen Wandungsbereich des Fluidkanals 2 vorhanden.

[0026] Wenn im Betrieb der Fluidkanal 2 von einem Kühlfluid wie beispielsweise Kühlluft durchströmt wird, führt die scharfkantige Verengung im Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c dazu, dass sich der Kühlfluidstrom - wie in Figur 13 gezeigt - im diffusorartig erweiterten Ausström-Kanalab- schnitt 2b von der Wandung des Fluidkanals an deren stromaufwärts in Bezug auf die Heißgasströmung H gelegenen Seite ablöst. Wie die Figur 13 erkennen lässt, legt sich hierdurch das Kühlfluid nach dem Verlassen des Fluidkanals 2 optimal an die äußere Oberfläche der Turbinenschaufelwand 1 an, um diese vor dem überströmenden Heißgas zu schützen.

[0027] In der Figur 5 ist ein ähnlicher Fluidkanal 2 in einer Turbinenschaufelwand 1 dargestellt. Der einzige Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass die Fluideinlassöffnung 3 in der Stirnseite einer Wulst 6 ausgebildet ist, der von der Innenfläche der Turbinenschaufelwand 1 nach innen abragt, so dass das Kühlfluid stirnseitig in den Fluidkanal 2 eintritt.

[0028] In der Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Fluidkanals 2 in einer Turbinenschaufelwand 1 dargestellt. Dieser umfasst in gleicher Weise wie der Fluidkanal 2 gemäß der Figur 1 einen Einström-Kanalabschnitt 2a auf der Kaltseite der Turbinenschaufelwand 1, einen Ausström-Kanal- abschnitt 2b auf der Heißseite der Turbinenschaufelwand 1, einen zwischen dem Einström-Kanalabschnitt 2a und dem Ausström-Kanalabschnitt 2b liegenden zentralen Kanalabschnitt 2c mit einem über seine Länge konstanten, kreisförmigen Querschnitt, sowie einen Zwischen-Kanalabschnitt 2d, der zwischen dem Einström-Kanalabschnitt 2a und dem zentralen Kanalabschnitt 2c ausgebildet ist. Der Einström-Kanalabschnitt 2a und der Zwischen-Kanalabschnitt 2d sind dabei nach Art einer zylindrischen Bohrung mit einem über die Länge konstanten Durchmesser ausgebildet, der größer als der Durchmesser des zentralen Kanalabschnitts 2c ist. Des Weiteren ist die Längsachse, welche durch den Zwischen-Fluidkanals 2d und den Einström-Fluidkanal 2a definiert wird, versetzt gegenüber der Längsachse X des zentralen Kanalabschnitts 2c. Konkret ist die Anordnung so getroffen, dass zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c eine Schulterfläche 5 an der zur Kaltgasseite weisenden Seite des Fluidkanals 2 gebildet wird, während auf der gegenüberliegenden, d.h. zur Heißgasseite weisenden Seite die Fluidkanalwandung im Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c geradlinig verläuft, also hier ein stetiger Übergang vom Zwischen- Kanalabschnitt 2d in den zentralen Kanalabschnitt 2c ohne Schulterbildung stattfindet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der Figur 1 liegt die Schulterfläche 5 nicht senkrecht zu der Längsachse des Fluidkanals, sondern in einer gegenüber der Längsachse X um etwa 45° geneigten Ebene. Der Übergangsbereich ist in dem Querschnitt der Figur 11 erkennbar.

[0029] Alternativ zu der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform kann die Schulterfläche auch an dem zur Heißgasseite weisenden Wandungsbereich des Fluidkanals 2 ausgebildet sein, während dann an der gegenüberliegenden, d.h. zur Kaltgasseite weisenden Seite die Fluidkanalwandung im Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c geradlinig verläuft. Derartige Ausgestaltungen sind in den Figuren 7 und 8 dargestellt. Die Figur 7 lässt ferner erkennen, dass die Ebene, in welcher die Schulterfläche 5 liegt, mit dem zur Heißgasseite gelegenen Wandungsbereich einen Winkel < 90° einschließt, so dass eine Art Rücksprung gebildet wird. In ähnlicher Weise kann auch bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform die Schulterfläche 5 mit dem zur Kaltgasseite gelegenen Wandungsbereich einen Winkel < 90° unter Bildung eines Rücksprungs einschließen, wie dies in Figur 9 gezeigt ist.

[0030] Bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform ist der Ausström-Kanalabschnitt 2b diffusorartig ausgebildet. Alternativ kann der Ausström-Kanalabschnitt 2b wie in Figur 10 gezeigt auch eine Fortsetzung des zentralen Kanalabschnitts 2c darstellen. In diesem Fall bilden der Einström-Kanalabschnitt 2a und der Zwischen-Kanalabschnitt 2d eine Bohrung größeren Durchmessers und der zentrale Kanalabschnitt 2c und der Ausström-Kanalabschnitt 2b eine Bohrung kleineren Durchmessers, wobei die Bohrungen derart versetzt sind, dass eine Schulterfläche 5 im Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt 2d und dem zentralen Kanalabschnitt 2c an der stromabwärtigen Seite der Fluidkanalwandung gebildet wird.

[0031] Durch die Ausgestaltung des Fluidkanals 2 nach den Figuren 6 und 10 wird im Betrieb der gleiche Effekt erzielt wie durch die Ausgestaltung des Fluidkanals 2 nach den Figuren 1 und 4. Aufgrund des vergrößerten Durchmessers des Fluidkanals 2 im Einström-Kanalabschnitt 2a und Zwischen-Kanalabschnitt 2d wird das Kühlfluid in dem Fluidkanal 2 zunächst verzögert und anschließend im Bereich der geneigten Schulterfläche 5 beschleunigt und derart umgelenkt, dass eine Ablösung des Kühlfluidstroms im Bereich der stromaufwärts gelegenen Seite der Fluidkanalwandung stattfindet.

[0032] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel 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.

Ansprüche

1. Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine mit einer Turbinenschaufelwand (1), in der wenigstens ein Fluidkanal (2) ausgebildet ist, durch welchen ein Kühlfluid von einer Kaltgasseite zu einer von Heißgas überströmten Oberfläche, d.h. der Heißgasseite der Turbinenschaufelwand (1) strömen kann, und wobei der wenigstens eine Fluidkanal (2) an seinem zur Kaltgasseite weisenden Endbereich einen Einström- Kanalabschnitt (2a), an seinem zur Heißgasseite der Turbinenschaufelwand (1) weisenden Endbereich einen Ausström-Kanalabschnitt (2b) und zwischen dem Einström-Kanal- abschnitt (2a) und dem Ausström-Kanalabschnitt (2b) einen zentralen Kanalabschnitt (2c) mit einem über die Länge konstanten, kreisförmigen oder ovalen Querschnitt besitzt, der eine Längsachse (X) des Fluidkanals (2) definiert, welche mit der von Heißgas überströmten Oberfläche der Turbinenschaufelwand (1) einen spitzen Winkel einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (2) zwischen dem Einström-Kanalabschnitt (2a) und dem zentralen Kanalabschnitt (2c) einen Zwischen-Kanalabschnitt (2d) aufweist, der eine größere Querschnittsfläche als der zentrale Kanalabschnitt (2c) besitzt.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischen-Kanalabschnitt (2d) über seine Länge einen konstanten Querschnitt besitzt.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischen-Kanalabschnitt (2d) einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt besitzt, und die Längsachse des Zwischen-Kanalabschnitts (2d) gegenüber der Längsachse (X) des zentralen Fluidkanalabschnitt (2c) versetzt ist.

4. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zentrale Kanalabschnitt (2c) an den Zwischen-Kanalabschnitt (2d) unter Bildung einer dazwischen liegenden, senkrecht zur Längsachse des Fluidkanals (2) liegenden Schulterfläche (5) anschließt.

5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen dem Zwischen-Kanalabschnitt (2d) und dem zentralen Kanalabschnitt (2c) eine Schulterfläche (5) ausgebildet wird, welche in einer zur Längsachse des Fluidkanals (2) unter einem Winkel α≠90° geneigten Ebene liegt.

6. Turbinenschaufel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulterfläche (5) an einem Wandbereich des Fluidkanals (2) ausgebildet ist und am gegenüberliegenden Wandbereich der Zwischen-Kanalabschnitt (2d) und der zentrale Kanalabschnitt (2c) geradlinig, d.h. ohne Schulterbildung, ineinander übergehen und insbesondere die Wandung über die ganze Länge des Fluidkanals (2) geradlinig verläuft.

7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulterfläche (5) an dem der Heißgasseite zugewandten Wandbereich des Fluidkanals (2) ausgebildet ist.

8. Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulterfläche (5) an dem der Kaltgasseite zugewandten Wandbereich des Fluidkanals (2) ausgebildet ist.

9. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kanalabschnitt (2c) gegenüber dem Zwischen-Kanalabschnitt (2d) eine um wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 40% und vorzugsweise wenigstens 60% kleinere Querschnittsfläche besitzt.

10. Turbinenschaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kanalabschnitt (2c) und der Zwischen-Kanalabschnitt (2d) jeweils einen kreisrunden Querschnitt besitzen und der Durchmesser (D) des Zwischen-Kanalabschnitts (2d) und der Durchmesser (d) des zentralen Kanalabschnitts (2c) in dem Verhältnis D/d = 1,3 bis 1,7, insbesondere D/d = 1,5 stehen.

11. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausström-Kanalabschnitt (2b) diffusorartig mit einem sich erweiternden Querschnitt ausgebildet ist.

12. Turbinenschaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Fluidkanals (2) an ihrem der Kaltgasseite zugewandten Wandbereich in der Richtung der Längsachse des Fluidkanals (2) verläuft und sich geradlinig an den zentralen Kanalabschnitt (2c) anschließt.

13. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausström-Kanalabschnitt (2b) über seine gesamte Länge einen gleichbleibenden, insbesondere kreisrunden Querschnitt besitzt.

14. Turbinenschaufel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausström-Kanalabschnitt (2b) konzentrisch zu der Längsachse (X) des Fluidkanals (2) verläuft und insbesondere den gleichen Querschnitt wie der zentrale Kanalabschnitt (2c) besitzt.

15. Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel im Feingussverfahren hergestellt ist.

Zeichnung