Die Erfindung betrifft eine kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche, kühlfluiddurchströmte Turbinenschaufel hat innere Strömungskanäle, die durch Innenwände voneinander getrennt sind. Die Turbinenschaufel wird von dem Arbeitsfluid umströmt. Es kann sich um eine Turbinenschaufel einer Gasturbine handeln. Dann ist das Arbeitsfluid Gas. Die Turbinenschaufel ist gegenüber dem anströmenden Arbeitsfluid geneigt, so daß in üblicher Weise eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung der Turbine entsteht. Daher ist die Abströmrichtung des Arbeitsfluids im wesentlichen diejenige Richtung entlang der Turbinenschaufel, in der das Arbeitsfluid diese umströmt.

Bei dem genannten Typ handelt es sich um eine Turbinenschaufel im hinteren Bereich einer Turbine. Dort ist das Arbeitsfluid bereits so weit entspannt und abgekühlt, daß lediglich gering gekühlte Turbinenschaufeln zur Anwendung kommen. Dies bedeutet, daß lediglich ein geringerer Durchfluß von Kühlfluid durch die Turbine vorgesehen ist. Aufgrund des geringen Durchflusses funktioniert eine Mäanderstruktur von Strömungskanälen für das Kühlfluid bei gering gekühlten Turbinenschaufeln nicht zufriedenstellend. Aufgrund der langsamen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids würde dieses im Anfangsbereich eines mäandrierenden Strömungskanals zu stark kühlen und im Endbereich zu stark aufgeheizt sein und dort folglich in zu geringem Maße kühlen. Bei den genannten Turbinenschaufeln kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids hinsichtlich der auftretenden Zentrifugalkräfte der Turbinendrehung zu gering sein.

Daher ist die Turbinenschaufel lediglich einfach längs ihrer Radialerstreckung von dem Kühlfluid durchströmt. Bei einfacher Durchströmung - das heißt bei Strömungskanälen praktisch ohne Umkehrstellen bezüglich der Radialrichtung der Kühlfluidströmung - treten die oben genannten Probleme nicht auf. Dazu sind Turbinenschaufeln mit Radialbohrungen oder mit geraden Radialkanälen bekannt, die von einem radial inneren Schaufelfuß zu weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen - in die Anstreifkante eingebrachten Ausströmöffnungen-verlaufen. Die resultierende Kühlfluidströmung weist dann die erwünschten, lokalen - an jedem Ort des Strömungskanals-praktisch überwiegend bis ausschließlich nach radial außen gerichteten Radialströmungskomponenten auf.

Aufgrund der technisch bedingten Mindestmaße sowohl des Gußkerns als auch der Wandstärke ist die Durchströmung und damit auch der Kühleffekt bei solchen Turbinenschaufeln stark inhomogen. So kann der Bereich einer Hinterkante, die sich in Abströmrichtung verschmälern soll, aufgrund der genannten, durch den Herstellungsprozeß bedingten Mindestmaße in der Regel nicht mehr von einem radialen Strömungskanal durchsetzt sein. Es kommt zu einer Überhitzung der überhängenden Hinterkante. Des weiteren ergeben sich Einschränkungen - insbesondere durch die oben genannten Mindestmaße - in der Geometrie der meist großen Turbinenschaufeln im hinteren Bereich der Turbine.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel anzugeben, die trotz eines geringen Kühlfluidstroms an die technischen Erfordernisse für gering gekühlte Turbinenschaufeln hinsichtlich ihrer Geometrie angepaßt ist und die trotzdem eine weitgehend homogene Kühlung, insbesondere in den Randzonen, erlaubt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß sie eine homogene Kühlung der Turbinenschaufel, insbesondere im Bereich der Kanten, erlaubt. Besonders problematisch ist hier der Bereich des Hinterkantenkanals, in dem die strömungstechnischen Anforderungen z.B. eine Verschmälerung der Turbinenschaufel verlangen.

Der genannte Vorteil wird dadurch erreicht, daß eine oder mehrere Hinterkantenkanäle vorhanden sind, deren Kühlfluidströmung an vorbestimmten Stellen lokale Querströmungskomponenten aufweisen und bei denen Ausströmöffnungen in eine Hinterkante der Turbinenschaufel eingebracht sind. Durch die Verwendung der Hinterkante als Bereich der Ausströmung von Kühlfluid wird für gering gekühlte Turbinenschaufeln eine große Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet, die bislang nicht zugänglich waren.

So können die Hinterkantenkanäle - zumindest teilweise - ihr Kühlfluid über die Ausströmöffnungen, die in die Hinterkante eingebracht sind, ableiten. Dadurch wird auch für die - in Abströmrichtung gesehen - vor den Hinterkantenkanälen gelegenen Kanäle mehr Freiraum geschaffen. Ausströmöffnungen - insbesondere an der Anstreifkante -, die vorher durch die Hinterkantenkanäle beaufschlagt waren, können nunmehr zum Ausleiten von Kühlfluid aus vor den Hinterkantenkanälen gelegenen Strömungskanälen dienen.

Es wird ein dreifacher Nutzeffekt erreicht: Damit wird es nämlich erstmals möglich, die Hinterkante einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel effektiv und homogen zu kühlen und zugleich eine dünne Hinterkante (im Sinne einer verbesserten Aerodynamik) zu haben. Des weiteren wird für die Hinterkantenkanäle eine natürliche Abströmung des Kühlfluids erreicht, die es erlaubt, auch die vor den Hinterkantenkanälen gelegenen, vorderen Strömungskanäle in ihrer Geometrie und insbesondere in ihrem Abströmverhalten an die technischen Erfordernisse anzupassen.

Dies bedeutet, daß beispielsweise vordere Strömungskanäle mehr Ausströmlänge entlang der Anstreifkante beaufschlagen können, als dies bislang der Fall war. Da die Hinterkantenkanäle einerseits weiter in Abströmrichtung zur Hinterkante verlagert sind und andererseits durch ihre gebogene Form ausweichen, können die davor gelegenen, vorderen Strömungskanäle den entstandenen Freiraum ausfüllen. Die vorderen Strömungskanäle können aufgrund der lokalen Querströmungskomponenten der Hinterkantenkanäle ebenfalls derart gebogen sein, daß auch sie lokale Querströmungskomponenten aufweisen. Dadurch ist eine andere Raumausnutzung innerhalb des Kühlvolumens der Turbinenschaufel gegeben mit besserer Ausnutzung der Kühlluft.

Damit können erstmalig auch Turbinenschaufeln im hinteren Bereich der Turbine - also gering gekühlte Turbinenschaufeln-mit geringsten bis verschwindenden Einschränkungen hinsichtlich der Geometrie ausgeführt sein. Es ist beispielsweise eine hinlänglich bekannte Anforderung (aus Festigkeitsgründen und Abgußgründen), daß sich die Turbinenschaufel vom Schaufelfuß weg in radialer Richtung verschmälert. Da die Ausströmöffnungen der Hinterkante verwendet werden, können sich die übrigen, insbesondere vorderen und mittleren Strömungskanäle in dieser Richtung bezüglich ihrer Ausdehnung parallel zur Abströmrichtung erweitern und somit die Dickenabnahme in Radialrichtung durch Verbreiterung parallel zur Abströmrichtung und Nutzung mehrerer Ausströmöffnungen der Anstreifkante durch einen Strömungskanal kompensieren. Dadurch kann bei bestmöglichem Wirkungsgrad der Turbine ein praktisch gleichbleibender Innenquerschnitt der Strömungskanäle erreicht werden verbunden mit einem schlanken Profil. Dies ist nur mit der Erfindung möglich, da der zusätzliche Raum lediglich durch die nunmehr freigewordenen Ausströmöffnungen an der Anstreifkante und den gebogenen Verlauf der Strömungskanäle ermöglicht wird. Zudem ist eine geschwungene Profilform zur Optimierung der Aerodynamik (Randzoneneffekte) möglich - im Gegensatz zur gebohrten Schaufel - mit Kühlmöglichkeit der Hinterkante, im Gegensatz zu bisherigen Geometrien.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Strömungskanäle können derart geformt sein, daß Querströmungskomponenten in Abströmrichtung und entgegengesetzt vorhanden sind. Bevorzugt sind aber ausschließlich oder überwiegend Querströmungskomponenten in Abströmrichtung vorgesehen. Die Querströmungskomponenten bewirken eine Durchströmung der Hinterkante, die bislang nicht vorhanden war. Durch die Nutzung der genannten Querströmungskomponenten wird das Kühlfluid des weiteren automatisch zu den Ausströmöffnungen in der Hinterkante geführt.

Bevorzugt ist, daß ein Hinterkantenkanal und/oder ein vorderer Strömungskanal zumindest abschnittsweise, insbesondere mit ihren/seinen äußeren Radialabschnitten, von der Radialrichtung in Abströmrichtung abbiegen/abbiegt.

Um Totzonen zu vermeiden und den Strömungswiderstand insgesamt zu verringern, so daß das gesamte, zur Verfügung stehende Kühlvolumen effektiv ausgenutzt wird, ist vorgesehen, daß die Abbiegeabschnitte ausgerundet sind. Die Abbiegeabschnitte verlaufen dann ohne Kanten mit Krümmung.

Es können mehrere Hinterkantenkanäle vorhanden sein. Insbesondere ist der in Abströmrichtung gesehen letzte Hinterkantenkanal praktisch ausschließlich mit in die Hinterkante eingebrachten Ausströmöffnungen versehen. Unter Zugrundelegung der erfinderischen Idee, Querströmungskomponenten zu verwenden und Ausströmöffnungen in der Hinterkante vorzusehen, ist dies die effektivste Lösung und möglichst wenige - vorzugsweise gar keine - anderen Ausströmöffnungen als die der Hinterkante beaufschlagt und somit belegt.

Daher kann der letzte Hinterkantenkanal auch in einem Radialabstand radial innen vor der Anstreifkante enden. Erfindungsgemäß braucht dieser Kanal nämlich überhaupt keine Ausströmöffnungen in der Anstreifkante. Damit wird erst eine besonders effektive Formgebung der Turbinenschaufel - insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades der Turbine - ermöglicht.

Zusätzlich kann ein radial durchgehender Hinterkantenkanal vorhanden sein, der sowohl in die Anstreifkante eingebrachte Ausströmöffnungen als auch in die Hinterkante eingebrachte Ausströmöffnungen aufweist. Ein solcher, radial durchgehender Hinterkantenkanal bildet quasi den Übergang zwischen einem vorderen Strömungskanal und einem Hinterkantenkanal, der lediglich Ausströmöffnungen aufweist, die in die Hinterkante eingebracht sind. Durch einen solchen, radial durchgehende Hinterkantenkanal wird ein weicher Übergang erreicht. Dadurch kann das zur Verfügung stehende Kühlvolumen effektiv genutzt werden.

Dann kann beispielsweise der letzte Hinterkantenkanal radial weiter innen liegende, in die Hinterkante eingebrachte Ausströmöffnungen und der radial durchgehende Hinterkantenkanal radial weiter außen liegende, in die Hinterkante eingebrachte Ausströmöffnungen aufweisen. Zwischen dem letzten Hinterkantenkanal und dem radial durchgehenden Hinterkantenkanal kann eine Öffnung, das ist ein Durchbruch im Innenbereich zwischen den beiden Strömungskanälen, vorgesehen sein. Die Wandung zwischen den einzelnen Strömungskanälen, die alle Strömungskanäle trennt, ist dann an der Stelle der Öffnung unterbrochen. Die durchgehende Verbindung dient dazu, Gießbarkeit im Sinne der Kernlage zu ermöglichen.

Wie bereits oben ausgeführt, wird durch die Erfindung erreicht, daß der lokale, resultierende, effektive Innenquerschnitt praktisch über die ganze Länge eines Strömungskanals bis auf bezüglich des Strömungswiderstandes des Strömungskanals praktisch vernachlässigbare Querschnittsabweichungen gleich groß ist. Die Querschnittsabweichungen betragen vorzugsweise weniger als zwanzig Prozent und insbesondere weniger als zehn Prozent des genannten Innenquerschnitts.

Die resultierende, effektive Gesamtquerschnittsfläche der Einströmöffnungen ist vorzugsweise gleich der Gesamtquerschnittsfläche der Ausströmöffnungen eines Strömungskanals, wobei die jeweilige Gesamtquerschnittsfläche dem Innenquerschnitt des zugehörigen Strömungskanals entspricht.

Eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel ist gering gekühlt, d.h. ohne Mäanderstruktur der Strömungskanäle ausgeführt. Sie wird für den hinteren Bereich einer Turbine und/oder für gering gekühlte Turbinen/Turbinenschaufeln verwendet.

Die Erfindung wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

• Figur 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit Schaufelfuß, wobei die innen liegenden Strömungskanäle verdeckt dargestellt sind,
• Figur 2 einen Längsschnitt durch die Turbinenschaufel gemäß Figur 1.

Die Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren jeweils gleiche, konstruktive Merkmale. Im folgenden wird die Erfindung unter gleichzeitiger Bezugnahme auf Figur 1 und Figur 2 beschrieben.

Die Turbinenschaufel 1 ist von dem Arbeitsfluid 3 - welches in der Figur 1 lediglich exemplarisch ausschnittweise dargestellt ist - in der Abströmrichtung 2 umströmt, wodurch die Arbeitsleistung erzeugt beziehungsweise die Turbine angetrieben wird. Die Turbinenschaufel 1 wird von dem Kühlfluid 31-welches ebenfalls exemplarisch und ausschnittweise in der Figur 2 gezeigt ist - entlang der Strömungskanäle 4,5,6 durchströmt. Dadurch wird die Turbinenschaufel 1 gekühlt. Das Kühlfluid 31 kann beispielsweise (gekühlte) Luft sein.

Eine solche Turbinenschaufel 1 hat einen Schaufelfuß 10, der in eine entsprechende Nut der Turbinenscheibe (hier nicht gezeigt) eingeschoben und dort befestigt ist. Dabei fluchten die gezeigten Einströmöffnungen 7,8,9 mit entsprechenden Öffnungen in der Turbinenscheibe. Durch diese wird das Kühlfluid 31 den Strömungskanälen 4,5,6 zugeführt.

Die Strömungskanäle 4,5,6 verlaufen zwischen den Einströmöffnungen 7,8,9 an dem radial inneren Schaufelfuß 10 und demgegenüber weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen 11,12,13. Sie verlaufen ohne Umkehrstellen bezüglich der Radialrichtung 20, d.h. praktisch umkehrfrei. Das Kühlfluid 31 durchströmt also in jedem Strömungskanal 4,5,6 die Radialerstreckung der Turbinenschaufel 1 lediglich einfach. An jeder Stelle eines Strömungskanals weist die resultierende Kühlfluidströmung 14 lokal praktisch ausschließlich nach radial außen - und nicht etwa nach radial innen - gerichtete Radialströmungskomponenten 15 auf (siehe Figur 2). Alle Radialströmungskomponenten 15 zeigen somit von dem Zentrum der Turbinendrehung weg. Eine Turbinenschaufel 1 ist auch dann gering gekühlt und somit für die Realisierung der Erfindung geeignet, wenn deren Strömungskanäle praktisch überwiegend nach radial außen gerichtete Radialströmungskomponenten 15 aufweisen.

Die durch die Innenwände 30 getrennten Strömungskanäle 4,5,6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel derart gekrümmt, daß die resultierende Kühlfluidströmung 14 zusätzlich zu den genannten Radialströmungskomponenten 15 lokale Querströmungskomponenten 17 aufweist.

Zur Verdeutlichung ist in Figur 2 die resultierende Kühlfluidströmung 14 in den Strömungskanälen 4,5 schematisch in jeweils eine Radialströmungskomponente 15 und eine Querströmungskomponente 17 zerlegt. Die Radialströmungskomponenten 15 zeigen alle nach radial außen. Dadurch ist die Kühlfluidströmung 14 bezüglich der Radialrichtung 20 praktisch umkehrfrei.

Dies gilt im Ausführungsbeispiel für alle Strömungskanäle 4,5,6.

Es ist ein in Abströmrichtung gesehen letzter Hinterkantenkanal 6 vorhanden. Dieser (wie auch die Strömungskanäle 4,5) biegt mit ausgerundeten Abbiegeabschnitten 21 von der Radialrichtung 20 in Abströmrichtung 2 ab. Der Verlauf des Strömungskanals 6 ist dadurch in Richtung der Hinterkante 18 gekrümmt.

Durch die Krümmung sind die Querströmungskomponenten 17 an jeder Stelle lokal in Abströmrichtung 2 gerichtet. Dadurch wird das Kühlfluid 31 des letzten Hinterkantenkanals 6 den Ausströmöffnungen 13 in der Hinterkante 18, die weiter radial innen liegen, zugeführt.

In den Figuren sind jeweils zwei Hinterkantenkanäle 5,6 gezeigt. Beide Hinterkantenkanäle 5,6 münden in die Ausströmöffnungen 13,23 in der Hinterkante 18. Der radial durchgehende Hinterkantenkanal 5 mündet in die weiter radial außen liegenden, in die Hinterkante 18 eingebrachten Ausströmöffnungen 23 und gleichzeitig in eine in die Anstreifkante 16 eingebrachte Ausströmöffnung 12. Damit die weiter radial außen liegenden Ausströmöffnungen 23 durch das Kühlfluid 31 in dem radial durchgehenden Hinterkantenkanal 5 beaufschlagt werden können, endet der in Abströmrichtung 2 gesehen letzte Hinterkantenkanal 6 in einem Radialabstand 22 radial innen vor der Anstreifkante 16. Dadurch bleiben die Ausströmöffnungen 23 durch den letzten Hinterkantenkanal 6 unbeaufschlagt.

Die Hinterkantenkanäle 5,6 kommunizieren über eine Öffnung 24, die in der Mitte (bezüglich der Radialrichtung 20) des radial durchgehenden Hinterkantenkanals 5 und am radial äußeren Ende des letzten Hinterkantenkanals 6 angeordnet ist.

Der in Abströmrichtung 2 gesehen vordere Strömungskanal 4 erweitert sich in Radialrichtung 20 nach außen hinsichtlich seiner Erstreckung in Abströmrichtung 2 (d.i. die Breite). Auch der vordere Strömungskanal 4 verläuft derart gekrümmt, daß lokale, resultierende Querströmungskomponenten 17 vorhanden sind. Die Innenwände 30, die die Strömungskanäle 4,5,6 voneinander trennen, sind über die gesamte Radialerstreckung der Turbinenschaufel 1 von praktisch gleicher Stärke. Der vordere Strömungskanal 4 folgt daher in seinem Verlauf den Hinterkantenkanälen 5,6 und schmiegt sich an diese an, so daß der Innenraum der Turbinenschaufel 1 praktisch vollständig von den Strömungskanälen 4,5,6 durchsetzt ist.

Neu ist bei der Erfindung auch, daß die Hinterkantenkanäle 5,6 den Bereich der Hinterkante 18 der Turbinenschaufel 1 praktisch bis auf eine verbleibende, äußere Wandstärke durchsetzen. Diese Wandstärke - wie auch die Größe des Gußkerns einer gegossenen Turbinenschaufel, d.h. die Größe der Hohlräume - sind nach unten durch die technischen Parameter des Herstellungsprozesses begrenzt. Durch die Durchsetzung auch der Hinterkante 18 ergibt sich insgesamt eine die Hinterkante 18 einschließende, homogene Kühlung der Turbinenschaufel 1.

Besonders in der perspektivischen Darstellung der Figur 1 ist zu erkennen, daß sich die Turbinenschaufel 1 in Radialrichtung 20 nach außen und gleichzeitig in Abströmrichtung 2 gesehen verschmälert. Dabei sollte der Innenquerschnitt 25 der Strömungskanäle 4,5,6 aber in etwa gleich bleiben, und zwar praktisch über die gesamte Länge 26 eines Strömungskanals 4,5,6. Dies wird durch die Erfindung erstmals für Turbinenschaufeln 1 des hinteren Bereichs erreicht. Dadurch ist der lokale, resultierende, effektive Innenquerschnitt 25 praktisch über die ganze Länge 26 eines Strömungskanals 4,5,6 bis auf bezüglich des Strömungswiderstandes des Strömungskanals 4,5,6 vernachlässigbare Querschnittsabweichungen gleich groß. Dies ist in Figur 1 am Beispiel des Strömungskanals 4 gezeigt.

Die Flächenstücke 25 sind dabei einfach schraffiert. Sie sollen jeweils eine innerhalb eines Strömungskanals gleich große Fläche markieren. Zur Verdeutlichung der Verhältnisse sind die Flächen nicht maßstabgetreu wiedergegeben. Das Flächenstück 25 wird um die Querschnittsabweichungen 27 in Radialrichtung 20 größer. Die Querschnittsabweichung 27 beträgt vorzugsweise weniger als zwanzig Prozent, insbesondere weniger als zehn Prozent des Innenquerschnitts 25. Auch im radial äußeren Bereich des vorderen Strömungskanals 4, wo sich die Turbinenschaufel 1 verschmälert, soll dieser Innenquerschnitt 25 (nicht explizit gezeigt) gleich bleiben. Zur Erreichung dieses Zweckes verbreitert sich der vordere Strömungskanal 4 in Radialrichtung 20 nach außen hin.

Es sind korrespondierende Flächenstücke 25 der Hinterkantenkanäle 5,6 gezeigt. Daran ist zu sehen, daß sich die Turbinenschaufel 1 in Abströmrichtung 2 verschmälert. Über einen Strömungskanal 4,5,6 gesehen soll aber in Radialrichtung 20, d.h. im wesentlichen in Verlaufsrichtung des jeweiligen Strömungskanals 4,5,6 der Innenquerschnitt 25 praktisch gleichbleiben. Dies gilt für den gesamten Weg des Strömungsfluids 31 innerhalb der Turbinenschaufel 1 vom Schaufelfuß 10 bis zu den Ausströmöffnungen 11,12,13,23.

So ist die resultierende, effektive Gesamtquerschnittsfläche 28 der Einströmöffnungen 7,8,9 gleich der Gesamtquerschnittsfläche 29 der Ausströmöffnungen 11,12,13 eines Strömungskanals 4,5,6. Diese Gesamtquerschnittsfläche 28,29 entspricht dabei in etwa bis auf die oben genannten Abweichungen dem Innenquerschnitt 25 des zugehörigen Strömungskanals 4,5,6.