TURBINENSCHAUFEL MIT EINEM DROSSELELEMENT

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (110) für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt (14), das eine saugseitige Seitenwand (20) und eine druckseitige Seitenwand (22) aufweist, die in einer Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet, sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse (12), sich von einem ersten Ende (26) des Schaufelblattes (14) zu einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblattes erstreckt, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23, 25) begrenzt ist, von denen eine als erste Seitenwandinnenfläche (31) zumindest ein Teil einer der beiden Seitenwände (20, 22) ist und der eine Zuführseite (34) aufweist, durch die ein Kühlmedium K von außerhalb der Turbinenschaufel (10) in den Hohlraum (28) einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel (10) an der Zuführseite (34) ein Drosselelement (36, 136) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst. Um eine effiziente Zuführung von Kühlluft in das Schaufelinnere bereitzustellen, bei der seitenwandnahe Rezirkulationen von Kühlluft und sog. Totwassergebiete weitestgehend vermieden werden, wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Öffnung (38) als erste Öffnung näher an der ersten Seitenwandinnenfläche (21) angeordnet ist als an derjenigen Innenfläche, die der ersten Seitenwandinnenfläche (21) gegenüberliegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt, das eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse sich von einem ersten Ende des Schaufelblatts zu einem diesen gegenüberliegendem zweiten Ende des Schaufelblatts erstrecken, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen begrenzt ist, von denen zumindest eine als erste Seitenwandinnenfläche zumindest teilweise die Innenseite einer der beiden Seitenwände ist, und der eine Zuführseite aufweist, durch die ein Kühlmedium von außerhalb der Turbinenschaufel in den Hohlraum einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel an der Zuführseite ein Drosselelement mit zumindest einer Öffnung umfasst.

[0002] Eine dementsprechende Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der WO 2009/153108 A2 bekannt. Bei der bekannten Turbinenleitschaufel ist am Eingang des Kühlluftkanals ein Drosselblech vorgesehen, welches die Menge des in das Innere der Turbinenschaufel einströmenden Kühlmediums reduziert. Im bekannten Drosselblech sind zwei Drossellöcher vorgesehen, deren Position wahlfrei erscheint.

[0003] Aufgrund der wahlfreien Positionierung der Löcher können jedoch Strömungsverluste und geringere Kühlleistungen auftreten, was ungewünscht ist. Bisher wurde dieses Problem jedoch noch nicht berücksichtigt, weswegen die hier vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen soll.

[0004] Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel, deren Drosselplatte eine verbesserte Kühlung ermöglicht.

[0005] Die Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.

[0006] Erfindungsgemäß ist für eine eingangs genannte Turbinenschaufel vorgesehen, dass die zumindest eine Öffnung als erste Öffnung näher an der ersten Seitenwandinnenfläche angeordnet ist als an derjenigen Innenfläche, die der ersten Innenwandseitenfläche gegenüber liegt.

[0007] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei mittig angeordneten Öffnungen im Drosselelement die Kühlluft nicht gleichmäßig verteilt in den Eingangsquerschnitt des Hohlraums eintritt, sondern eher punktuell über lokale Positionen mit einem hohen Impuls. Seitlich dieser lokalen Positionen treten unmittelbar stromab des Drosselelements am Kanaleintritt so genannte Totwassergebiete bzw. Rezirkulationsgebiete mit geringen Reynoldszahlen auf, die im Kühlkanal einen geringeren Wärmeübergang hervorrufen.

[0008] Durch die erfindungsgemäße Verlagerung der Öffnungen des Drosselelementes hin zu den thermisch hoch belasteten Seitenwänden kann eine verbesserte Kühlluftverteilung am teilweise abgedeckten Öffnungsquerschnitt des Hohlraums erreicht werden. Durch die wandnahe Platzierung der Öffnungen des Drosselelementes wird der Abstand zwischen der zu kühlenden Seitenwandinnenfläche und dem nächstliegenden Rand der betreffenden Öffnung verringert, so dass der Raum für Totwasser- bzw. Rezirkulationsgebiete signifikant verkleinert wurde. Dementsprechend sind die Ausprägungen dieser Strömungsphänomene geringer, verglichen mit den im Stand der Technik bekannten Drosselelementen. Dies erhöht dort den Wärmeübergang, wodurch die Seitenwände auch bereits unmittelbar stromab des Drosselelementes von dem hindurchtretenden Kühlmedium effizienter als bisher gekühlt werden können. Die gezielte Kühlung der thermisch hoch belasteten Stellen kann die Lebensdauer der Turbinenschaufel verlängern und/oder ggf. das Entstehen von Defekten wie Rissen oder dergleichen verzögern.

[0009] Im Umkehrschluss kann aber ebenso eine ggf. unerwünschte starke Kühlung der Rippen des Schaufelblatts im Plattformbereich vermieden werden, was ebenso die thermomechanische Belastung reduzieren kann.

[0010] Diese Erfindung ermöglicht zudem die gezielte Verwendung des positiven Effekts einer Vergleichmäßigung der Strömung am Hohlraumeingang, womit eine starke oder eine schwache Kühlung in diesem Bereich des Kühlkanals eingestellt werden kann, je nach Design-Anforderung.

[0011] Im Sinne dieser Erfindung ist eine Öffnung dann näher an der ersten Seitenwandinnenfläche als an der ihr gegenüberliegenden Innenfläche angeordnet, wenn der Flächenschwerpunkt der betreffenden Öffnung näher an der besagten Seitenwandinnenfläche als an der ihr gegenüberliegenden Innenfläche angeordnet ist.

[0012] Die in dem Drosselelement vorgesehenen Öffnungen können eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise können sie kreisförmig sein, schlitzförmig oder auch elliptisch. Insbesondere Schlitze, die der Krümmung der Seitenwand bzw. der Krümmung der Seitenwandinnenfläche folgen, sind vorteilhaft, da sie gegenüber mehreren diskreten Bohrungen eine homogenere Massenstromverteilung längs der Seitenwandfläche erzeugen. Hierdurch lässt seine eine lückenlose Einströmung bei Hohlräumen bzw. Kühlkanälen mit stark gekrümmten Seitenwänden, wie sie beispielsweise bei Leitschaufeln auftreten können, bereitstellen.

[0013] Da bekanntermaßen die erfindungsgemäße Turbinenschaufel einerseits einen Grundkörper umfasst, der zumeist in einem Gießverfahren hergestellt worden ist und der neben dem Schaufelblatt auch eine Plattform und einen zur Befestigung vorgesehenen Schaufelfuß umfasst, kann ein erfindungsgemäßes, separat hergestelltes Drosselelement auch als Nachrüstlösung für bereits bestehende Turbinenschaufeln verwendet werden.

[0014] Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie definierbar, wobei die zumindest eine Öffnung als erste Öffnung in Bezug zur Mittellinie außermittig angeordnet ist.

[0015] Mit anderen Worten wird hierrunter eine Öffnung verstanden, deren Öffnungsfläche von der Mittellinie nicht geschnitten wird. Hierdurch wird eine Lage der Öffnung in Bezug auf die Seitenwandinnenfläche angegeben, die die besagte Öffnung derartig nah an die Seitenwandinnenfläche positioniert, dass Rezirkulations- und Totwassergebiete auf eine technisch akzeptable Größe verkleinert werden können.

[0016] Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung ist die der ersten Seitenwandinnenfläche gegenüberliegende Innenfläche als zweite Seitenwandinnenfläche zumindest ein Teil der Innenfläche der anderen der beiden Seitenwände.

[0017] In diesem Fall sind vorzugsweise im Drosselelement zweite Öffnungen vorgesehen, wobei die erste(n) Öffnung(en) und die zweite(n) Öffnung(en) derart angeordnet sind, dass die erste(n) Öffnung(en) näher an der ersten Seitenwandinnenfläche als an der zweiten Seitenwandinnenfläche und die zweite(n) Öffnung(en) näher an der zweiten Seitenwandinnenfläche als an der ersten Seitenwandinnenfläche angeordnet sind. Mithin wird für jede zu kühlende Seitenwand eine lokal zu ihr hin verschobene Öffnung zur Zuführung vom Kühlmedium bereitgestellt, so dass beide thermisch belastete Seitenwände auch drosselelementnah vom einströmenden Kühlmedium effizient kühlbar sind.

[0018] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie definierbar, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung in Bezug zur Mittellinie jeweils außermittig angeordnet sind.

[0019] Zweckmäßigerweise können mehrere erste Öffnungen bzw. mehrere zweite Öffnungen vorgesehen sein. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel als Leitschaufel oder auch als Laufschaufel einer thermischen Strömungsmaschine ausgestaltet sein. Bei Leitschaufeln ist das Drosselelement zumeist an einem der Enden des Schaufelblatts befestigt, wohingegen bei Laufschaufeln das Drosselelement an einer Unterseite eines Schaufelfußes der Laufschaufel befestigt ist. In diesem Fall erstreckt sich der Hohlraum nicht nur durch das Schaufelblatt der Laufschaufel, sondern auch durch dessen Schaufelfuß. Insofern ist in dieser Anmeldung die Hohlraumbegrenzung durch Innenflächen so zu verstehen, dass diese sich auch durch einen Teil des Schaufelfußes erstrecken können. Aufgrund der längeren Einlaufstrecke des Hohlraums einer Laufschaufel eignet sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Drosselelements jedoch eher für Leitschaufeln.

[0020] Zweckmäßigerweise ist das Drosselelement plattenförmig. In diesen Fall dient es lediglich zur Einstellung der einströmbaren Kühlmediummenge. Alternativ dazu kann das Drosselelement zylinderhutförmig ausgestaltet sein. Unter zylinderhutförmig wird dabei nicht ein kreisrundes, sondern ein Drosselelement verstanden, welches einen rohrförmigen Abschnitt mit beliebiger Querschnittskontur umfasst, der an einem Ende einen Deckel und am anderen Ende eine Krempe aufweist. In diesem Fall können im rohrförmigen Abschnitt Prallkühlöffnungen vorgesehen sein, damit Teile einer oder beider Seitenwände prallkühlbar sind. Dies hat den Vorteil, dass das Schaufelblatt im Bereich des zylinderförmigen Drosselelements durch Prallkühlung besonders effizient und der restliche Teil des Schaufelblatts konventionell durch Konvektion kühlbar ist. Des Weiteren kann das Drosselelement eine definierte Dicke besitzen, die eine schräge Abordnung der Kühlluftöffnungen zur vertikalen Achse des Kühlkanals ermöglicht. Damit ist eine weitere Möglichkeit der optimierten Kühlung stromab der Drosselplatte möglich.

[0021] Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenschaufel für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt, das eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die in einer Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet, sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse, sich von einem ersten Ende des Schaufelblattes zu einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblattes erstreckt, wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen begrenzt ist, von denen eine als erste Seitenwandinnenfläche zumindest ein Teil einer der beiden Seitenwände ist und der eine Zuführseite aufweist, durch die ein Kühlmedium von außerhalb der Turbinenschaufel in den Hohlraum einströmbar ist, wobei die Turbinenschaufel an der Zuführseite ein Drosselelement mit zumindest einer Öffnung umfasst. Um eine effiziente Zuführung von Kühlluft in das Schaufelinnere bereitzustellen, bei der seitenwandnahe Rezirkulationen von Kühlluft und sog. Totwassergebiete weitestgehend vermieden werden, wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Öffnung als erste Öffnung näher an der ersten Seitenwandinnenfläche angeordnet ist als an derjenigen Innenfläche, die der ersten Seitenwandinnenfläche gegenüberliegt.

[0022] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0023] Es zeigen:

Figur 1

eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, ausgebildet als Laufschaufel, in einer teilgeschnittenen perspektivischen Ansicht,

Figur 2

eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, ausgestaltet als Leitschaufel, in einer teilgeschnittenen perspektivischen Darstellung,

Figur 3

die schematische Darstellung eines Drosselelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit kreisförmigen Öffnungen sowie

Figur 4

das Drosselelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit gekrümmten schlitzförmigen Öffnungen und

Figur 5

in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine Turbinenschaufel mit einem Drosselelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

[0024] Figur 1 zeigt in teilperspektivischer Schnittdarstellung eine Turbinenschaufel 10, welche entlang einer virtuellen Längsachse 12 aufeinanderfolgend aufweist: ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 14, eine Plattform 16 sowie einen tannenbaumförmigen Schaufelfuß 18. Das Schaufelblatt 14 umfasst eine druckseitige Seitenwand 20 sowie eine saugseitige Seitenwand 22, die sich entlang einer Hauptströmungsrichtung eines Heißgases von einer nicht gezeigten gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante 24 erstrecken. Parallel zur Längsachse 12 erstreckt sich das Schaufelblatt 14 von einem ersten, plattformnahen Ende 26 zu einem gegenüberliegenden Ende, welches ebenso nicht dargestellt ist. Das gegenüberliegende Ende wird auch als Schaufelblattspitze bezeichnet, an der ggf. ebenfalls eine als Deckband bezeichnete Plattform angeordnet sein kann. Das Schaufelblatt 14 ist hohl ausgebildet und weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwei Hohlräume 28, 30 auf. Beide Hohlräume 28, 30 dienen als Kühlkanäle und sind über eine nicht dargestellte Umlenkung, die an der Schaufelblattspitze vorgesehen ist, strömungstechnisch miteinander verbunden. Aufgrund einer sich zwischen der druckseitigen Seitenwand 20 und der saugseitigen Seitenwand 22 erstreckenden Rippe 32 sind die beiden Hohlräume 28, 30 im Schaufelblatt abseits der Umlenkung und auch im Bereich des Schaufelfußes 18 voneinander getrennt. Der Hohlraum 28 weist an seinem Eingang eine Zuführseite 34 auf, an der ein Drosselelement 36 angeordnet ist. Das Drosselelement 36 ist an der restlichen Turbinenschaufel, dem gegossenen Schaufelgrundkörper, in konventioneller Weise befestigt, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Gleichzeitig weist das Drosselelement 36 zwei Öffnungen 38 auf, durch welche dem Hohlraum 28 von außen ein Kühlmedium K, vorzugsweise Kühlluft, zuführbar ist.

[0025] Beim Betrieb einer mit der gezeigten Turbinenschaufel 10 ausgestatteten Gasturbine strömt das Heißgas der Gasturbine von der Vorderkante zur Hinterkante 24. Damit das Schaufelblatt 14 den heißen Temperaturen standhalten kann, ist das Schaufelblatt 14 innen gekühlt. Dazu wird der Turbinenschaufel 10 über die Öffnungen 38 Kühlluft zugeführt, welche längs des Hohlraums 28 die Seitenwände 20, 22 kühlend strömt. An der Schaufelblattspitze angelangt, durchströmt es die Umlenkung, so dass es anschließend in den Hohlraum 30 einströmt, mit entgegengesetzter Strömungsrichtung in Bezug auf die Strömungsrichtung im Hohlraum 28. Vom Hohlraum 30 aus strömt die Kühlluft durch nicht weiter gezeigte Kühlluftkanäle zu an der Hinterkante 24 angeordneten Austrittsöffnungen 40, an denen die Kühlluft die Turbinenschaufel 10 verlässt.

[0026] Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Austrittsöffnungen 40 als sog. "Cut-Back-Öffnungen" ausgestaltet. Dies ist jedoch für die Erfindung unerheblich. Sie könnten auch alternativ als mittige Austrittsöffnungen an der Hinterkante 24 angeordnet sein.

[0027] Der Hohlraum 28 wird einerseits von den Innenflächen 21, 23 begrenzt. Die Innenflächen 21, 23 erstrecken sich von der Schaufelblattspitze bis zum Drosselelement 36. Desweiteren wird der Hohlraum 28 auch von der Innenfläche 25 der Rippe 32 begrenzt. Eine weitere den Hohlraum 28 begrenzende Fläche ist nicht dargestellt.

[0028] Um einerseits zwischen denjenigen Innenflächen 21, 23, die Teil einer dem Heißgas ausgesetzten Seitenwand sind, und andererseits denjenigen Innenflächen 25, die Teil einer nicht zu kühlenden Wand - hier Rippe 32 - sind, zu unterscheiden, werden erstere nachfolgend als erste und zweite Seitenwandinnenflächen 31, 33 bezeichnet, gleichwohl sich diese bis in den Schaufelfuß hinein erstrecken können.

[0029] Zuführungsseitig sind die Öffnungen 38 näher als bisher an den Seitenwandinnenflächen 31, 33 angeordnet. Sie liegen somit außerhalb einer gedachten Mittellinie 44, die mittig zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Seitenwandinnenflächen 31, 33 definiert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel fällt die Mittellinie 44 mit der Position der Längsachse 12 zusammen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Innenflächen 21, 23 einander gegenüber und sind durch einen Abstand H_K voneinander getrennt, wobei die Mittellinie bei H_K/2 zu finden ist.

[0030] Mithin sind die Öffnungen 38 soweit von der Mittellinie 44 entfernt, dass ihre Querschnitte von der Mittellinie 44 nicht geschnitten werden. Damit wird eine hinreichend weite Verschiebung der Öffnung 38 aus der Mitte der Zuführseite erreicht, um zu verhindern, dass sich zwischen Innenfläche 21, 23 und der Öffnung 38 ein hinreichend großer Raum vorhanden ist, in dem sich die ungewünschten Strömungsphänomene ausbilden können.

[0031] In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0032] Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten als Laufschaufel ausgebildeten Turbinenschaufeln 10 zeigt die Figur 2 in perspektivischer teilgeschnittener Darstellung eine als Leitschaufel ausgebildete Turbinenschaufel 10.

[0033] In Analogie zu der in Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel 10 umfasst diese Turbinenschaufel 10 eine Längsachse 12, ein Schaufelblatt 14, eine Plattform 16 und einen hakenförmig ausgeführten Schaufelfuß 18. Das Schaufelblatt 14 ist hohl ausgeführt und umfasst an seinem ersten Ende 26 eine Zuführseite 34 für ein dem Hohlraum 28 zuführbares Kühlmedium K. Die Zuführseite ist durch ein Drosselelement 36 nur teilweise verschlossen, da in dem Drosselelement 36 Öffnungen 38 vorgesehen sind. In Bezug auf die beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23 sind die Öffnungen 38 außermittig angeordnet, so dass der minimale Abstand zur nächstliegenden Seitenwand wesentlich kleiner ist als die Hälfte des Abstands H_K der beiden aneinander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23.

[0034] Die Figuren 3, 4 zeigen die für die Turbinenschaufeln 10 verwendbaren Drosselelemente 36 mit den darin angeordneten Öffnungen 38 in zwei Ausführungsbeispielen. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist das Drosselelement 36 mehrere Öffnungen 38 auf, die einen kreisrunden Durchströmungsquerschnitt besitzen. Gemäß dem zweiten, in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, sind die Öffnungen 38 schlitzförmig und derart gekrümmt, dass sie den Innenflächen 21, 23 der zu kühlenden Seitenwände 20, 22 folgen. Nachfolgend werden die schlitzförmigen Öffnungen 38 auch als Schlitze 45 bezeichnet.

[0035] Bei beiden Ausführungsbeispielen weisen die Drosselelemente 36 in der Draufsicht eine sektorförmige Gestalt auf. Dies ist jedoch nur beispielhaft und nicht zwingend, da im Grunde deren Gestalt sich nach der Gestalt des Hohlraumeingangs in der gegossenen Turbinenschaufel 10 richtet.

[0036] In beiden Figuren sind die den Hohlraum 28 begrenzenden Innenflächen 21, 23, 25 bzw. Seitenwandinnenflächen 31, 33 in gestrichelter Linienform dargestellt. Zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Innenflächen 21, 23, die zumindest teilweise den Seitenwänden 20 bzw. 22 zuzuordnen sind, ist eine Mittellinie 44 definierbar, deren Punkte im senkrechten Abstand zu beiden Innenflächen 21, 23 jeweils gleichweit entfernt sind. Wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich, sind die Öffnungen 38 vergleichsweise nahe an den Innenflächen 21, 23 angeordnet, d.h. die Öffnungen 38 sind derartig außermittig angeordnet, dass deren Öffnungsquerschnitte die Mittellinie 44 weder tangieren noch schneiden.

[0037] Für die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele des Drosselelements 36 lassen sich folgende Parameter definieren:

• eine mittlere Kanalhöhe H_K als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittellinie 44 senkrechten Abstands zwischen einer Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden (Seitenwand-)Innenfläche,
• ein Lochabstand a als Abstand zwischen der Mittellinie 44 und dem Mittelpunkt der kreisrunden Öffnung 38, bzw. dem Rand der schlitzförmigen Öffnung 38,
• ein minimaler Lochabstand t zwischen zwei ersten bzw. zwischen zwei zweiten Öffnungen,
• ein Öffnungsdurchmesser d der kreisrunden Öffnung 38,
• eine Schlitzbreite s,
• ein erster Abstand Z₁ als Abstand der Öffnungen 38 zu derjenigen Innenfläche, deren Wand nicht von Heißgas umströmt wird, sprich, die Innenflächen der Rippe 32 und
• ein zweiter Abstand Z₂ als Abstand der Öffnung 38 zur Innenfläche 21, 23 sowie
• die Wandstärke WS des Drosselelements (vgl. Figur 1, Figur 2) .

[0038] Da üblicherweise die Stärke der Seitenwände 20, 22 aufgrund von strukturmechanischen Anforderungen vorgegeben und auch der Krümmungsverlauf der Seitenwände 20, 22 durch die aerodynamischen Anforderungen an das Schaufelblatt 14 vorbestimmt werden, ergibt sich für die mittlere Kanalhöhe H_K ein vorgegebener Wert.

[0039] So kann der Wert für den mittleren Abstand H_K beispielsweise zwischen 1 cm und 4 cm für die Wandstärke WS des Drosselelements beispielsweise zwischen 0.5 mm und 2 mm liegen.

[0040] Untersuchungen haben ergeben, dass seitlich der Öffnungen und unmittelbar stromab des Drosselelements eine Kühlmittelströmung mit nur geringer Rezirkulation und höheren Reynoldszahlen für eine durchschnittlich zu kühlende Turbinenschaufel 10 auftreten, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen:

Tabelle 1: bevorzugte Werte für eine durchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel.

Für Öffnungen in Kreisform		Für Öffnungen in Schlitzform
HK	vorgegeben	HK	vorgegeben
WS	vorgegeben	WS	vorgegeben
a	≥ 0.2·HK	A	≥ 0.2 HK
d	≤ 0.5·HK - 2·Z2	s	≤ 0.5·HK - 2·Z2
t	≥ 0.25 d
Z1	≥ 0.25 d	Z1	≥ 1·WS
Z2	≥ 0.25 d	Z2	≥ 0.5·WS

[0041] Für eine vergleichsweise stark gekühlte Turbinenschaufel sollten die Parameter den in der Tabelle 2 genannten Werten bzw. Bedingungen entsprechen:

Tabelle 2: bevorzugte Werte für eine überdurchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel.

Für Öffnungen in Kreisform		Für Öffnungen in Schlitzform
HK	vorgegeben	HK	vorgegeben
WS	vorgegeben	WS	vorgegeben
a	≥ 0.35·HK	a	≥ 0.35·HK
d	≤ 0.1·HK	s	0.1·HK ≤ s ≤ 0.2 HK
t	≥ 0.25 d
Z1	≥ 0.25 d	Z1	≥ 1·WS
Z2	≥ 0.25 d	Z2	≥ 0.5 WS

[0042] In der Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel 110 ausschnittsweise und rein schematisch gezeigt. Dessen Drosselelement 136 ist so profiliert, dass dessen Längsschnitt dem Schema nach dem Längsschnitt durch einen Zylinderhut entspricht. Mit anderen Worten: das Drosselelement 136 ist zylinderhutförmig ausgestaltet und umfasst somit einen rohrförmigen Abschnitt 137, dessen erstes Ende durch einen Deckel 139 begrenzt und an dessen dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende ein umlaufender Kragen ist Form einer Krempe 141 vorgesehen ist. Der Kragen bzw. die Krempe 141 dient zur Befestigung des Drosselelements 136 an der restlichen Turbinenschaufel 110. Dabei erstreckt sich der rohrförmige Abschnitt 137 mit einer Länge H in den Hohlraum 128 hinein. Im rohrförmigen Abschnitt 137 sind Prallkühlöffnungen 143 vorgesehen, wobei der rohrförmige Abschnitt im Querschnitt betrachtet vorzugsweise nicht kreisrund ist, sondern der Querschnittskontur des Hohlraums 128, wie sie in den Figuren 3 und 4 in gestrichelter Linienform dargestellt ist, ähnelt.

[0043] Aufgrund der zylinderhutförmigen Gestalt und der Prallkühlöffnungen 143 ist der Bereich G des Schaufelblatts prallkühlbar.

[0044] Im Deckel 139 können die aus den Figuren 3 und 4 oben angegebenen kreisrunden Öffnungen 38 und Schlitze 45 angeordnet sein, um einen - dem Bereich G in Strömungsrichtung eines Kühlmedium K gesehen stromab folgenden - Bereich M des Schaufelblatts konvektiv kühlbar auszugestalten.

[0045] Für das in der Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel des Drosselelements 136 lassen sich weitere Parameter definieren:

• ein Durchmesser D der Prallkühlöffnungen 143,
• Prallkühllänge H des rohrförmigen Abschnitts 137, erfasst zwischen der Zuführseite 34 und seinem Deckel 139,
• ein dritter Abstand h₁ als Abstand zwischen dem Deckel 139 und der daran nächstliegenden Reihe 147 an Prallkühlöffnungen 143,
• ein vierter Abstand h_xi als Abstand zwischen zwei Reihen von Prallkühlöffnungen 143 sowie
• ein fünfter Abstand z als Abstand zwischen der Innenfläche 21, 23 und dem rohrförmigen Abschnitt 137,
• die mittlere Kanalhöhe H_K als arithmetischer Mittelwert des minimalen und maximalen, zur Mittellinie 44 senkrechten Abstands zwischen einer Seitenwandinnenfläche und der ihr gegenüberliegenden (Seitenwand-)Innenfläche,
• ein sechster Abstand b₁ als Abstand zwischen der Mittellinie 44 und dem Rand der zur Mittelline nächstliegenden Öffnung 38,
• ein siebter Abstand b₂ als Abstand zwischen der zur Mittelline nächsten Öffnung 38 und dem äußeren Rand des rohrförmigen Abschnitts 137,
• ein achter Abstand t₁ als Abstand zwischen dem äußeren Rand des rohrförmigen Abschnitts 137 und der Mitte der zuäußerst angeordneten Öffnung 38,
• ein neunter Abstand t_xi als Abstand zwischen der zuäußerst angeordneten Öffnung 38, und der nächstinneren Öffnung 38,
• eine Öffnungsweite d₁ als Durchmesser derjenigen kreisrunden Öffnung 38 bzw. als Schlitzbreite d₁ (vgl. Parameter s) derjenigen Schlitze 45, die - in Bezug auf die Mittellinie 44 - am weitesten außen angeordnet sind,
• ein Öffnungsweite d_xi als Durchmesser derjenigen kreisrunden Öffnung 38 bzw. als Schlitzbreite d_xi (vgl. Parameter s) derjenigen Schlitze 45, die weiter innen - in Bezug auf die Mittellinie 44 - angeordnet sind,
• die Wandstärke WS des Drosselelements.

[0046] Untersuchungen haben ergeben, dass die ungewünschten Strömungsphänomene wie Rezirkulations- und Totwassergebiete in einem hinreichenden Maße bei einer durchschnittlich prall- und konvektiv zu kühlenden Turbinenschaufel 110 vermieden werden können, wenn die Paramater folgende Werte aufweisen bzw. folgenden Bedingungen entsprechen:

Tabelle 3: bevorzugte Werte für eine durchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel mit einem zylinderhutförmigen Drosselelement.

Für den Prallkühlabschnitt D		Für den konvektiv gekühlten Abschnitt K
WS	vorgegeben	HK	vorgegeben
d	> 0.8 mm & < 1.6 mm	b1	≥ 0.2·HK
H	≥ 2·d	b2	≥ 0.5·HK - b1 - z
h1	≥ 1·d	d1	≤ (b2 - WS)
hxi	≥ 1·d	dxi	≤ (b2 - WS)
z	z/d < 4.5	t1	≥ 0.5·d1 + 1·WS
		txi	≥ 0.5·dxi + 1·WS

[0047] Für eine vergleichsweise stark prall- und konvektiv gekühlte Turbinenschaufel 110 sind die in der Tabelle 2 genannten Werte bzw. Bedingungen besonders vorteilhaft.

Tabelle 4: bevorzugte Werte für eine überdurchschnittlich gekühlte Turbinenschaufel mit einem zylinderhutförmigen Drosselelement.

Für den Prallkühlabschnitt D		Für den konvektiv gekühlten Abschnitt M
WS	vorgegeben	HK	vorgegeben
d	= 0.8 mm	b1	≥ 0.25·HK
H	≥ 10 d	b2	≥ 0.5·Hk - b1 - z
h1	≥ 1 d	d1	≤ 0.15· HK
hxi	= 1 d (sechs Öffnungen 38)	dxi	≤ 0.1· HK
z	z/d = 1.5	t1	≥ 0.5·d1 + 1·WS
		txi	≥ 0.5·dxi + 1·WS

Ansprüche

1. Turbinenschaufel (110) für eine thermische Strömungsmaschine,
umfassend ein von einem Heißgas umströmbares Schaufelblatt (14) , das eine saugseitige Seitenwand (20) und eine druckseitige Seitenwand (22) aufweist, die in Hauptströmungsrichtung des Heißgases betrachtet sich von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante (24) und entlang einer in einer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsachse sich von einem ersten Ende (26) des Schaufelblatts (14) zu einem diesen gegenüberliegenden zweiten Ende des Schaufelblatts (14) erstrecken,
wobei im Schaufelblattinneren zumindest ein Hohlraum (28) vorgesehen ist, der von mehreren Innenflächen (21, 23, 25) begrenzt ist, von denen zumindest eine als erste Seitenwandinnenfläche (31) zumindest teilweise die Innenseite einer der beiden Seitenwände (20, 22) ist, und der eine Zuführseite (34) aufweist, durch die ein Kühlmedium (K) von außerhalb in den Hohlraum (28, 128) einströmbar ist,
wobei die Turbinenschaufel (10) an der Zuführseite (34) ein Drosselelement (36, 136) mit zumindest einer Öffnung (38) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Öffnung (38) als erste Öffnung (41) näher an der ersten Seitenwandinnenfläche (31) angeordnet ist als an der derjenigen Innenfläche, die der ersten Seitenwandinnenfläche (31) gegenüber liegt.

2. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 1,
bei der zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche (31) und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie (44) definierbar ist und die erste Öffnung (31) in Bezug zur Mittellinie (44) außermittig angeordnet ist.

3. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der die der ersten Seitenwandinnenfläche (31) gegenüberliegende Innenfläche als zweite Seitenwandinnenfläche (33) zumindest ein Teil der Innenfläche (23) der anderen der beiden Seitenwände (20, 22) ist.

4. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 3,
bei der das Drosselelement (36) eine zweite Öffnung (38) aufweist, wobei die erste Öffnung (41) und die zweite Öffnung (43) derart angeordnet sind, dass die erste Öffnung (41) näher an der ersten Seitenwandinnenfläche (31) als an der zweiten Seitenwandinnenfläche (33) und die zweite Öffnung (43) näher an der zweiten Seitenwandinnenfläche (33) als an der ersten Seitenwandinnenfläche (31) angeordnet sind.

5. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der zuführungsseitig mittig zwischen der ersten Seitenwandinnenfläche (31) und der ihr gegenüberliegenden Innenfläche eine Mittellinie (44) definiert ist und die erste Öffnung (41) und die zweite Öffnung (43) in Bezug zur Mittellinie (44) jeweils außermittig angeordnet ist.

6. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der mehrere erste Öffnungen (41) bzw. mehrere zweite Öffnungen (43) vorgesehen sind.

7. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die betreffende Öffnung (38) kreisförmig, schlitzförmig, elliptisch ist.

8. Turbinenschaufel (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der das Drosselelement (36) plattenförmig ist.

9. Turbinenschaufel (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei der das Drosselelement (136) zylinderhutförmig ausgestaltet ist.

10. Turbinenschaufel (110) nach Anspruch 9,
bei der das Drosselelement (136) Prallkühlöffnungen (143) zur teilweisen Prallkühlung der Seitenwände (20, 22) aufweist.

Zeichnung