WO2017009051A1 - Schaufel für eine strömungskraftmaschine und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Schaufel für eine strömungskraftmaschine und verfahren zu deren herstellung Download PDF

Info

Publication number
WO2017009051A1
WO2017009051A1 PCT/EP2016/065243 EP2016065243W WO2017009051A1 WO 2017009051 A1 WO2017009051 A1 WO 2017009051A1 EP 2016065243 W EP2016065243 W EP 2016065243W WO 2017009051 A1 WO2017009051 A1 WO 2017009051A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blade
blade according
microchannels
supply channel
openings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/065243
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Kiener
Yves KÜSTERS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to CN201680041204.7A priority Critical patent/CN107835887B/zh
Priority to JP2018501242A priority patent/JP6706665B2/ja
Priority to US15/743,768 priority patent/US10550701B2/en
Priority to EP16734619.6A priority patent/EP3298242B1/de
Publication of WO2017009051A1 publication Critical patent/WO2017009051A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/04—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F01D9/065—Fluid supply or removal conduits traversing the working fluid flow, e.g. for lubrication-, cooling-, or sealing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/22—Manufacture essentially without removing material by sintering
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05D2230/234—Laser welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/28—Three-dimensional patterned
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/313—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being perpendicular to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/75—Shape given by its similarity to a letter, e.g. T-shaped
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/204—Heat transfer, e.g. cooling by the use of microcircuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a blade for a flow force ⁇ machine, comprising an interior, which is surrounded by a surface of the blade forming wall structure. In this wall structure openings are provided, which connect the surface of the blade with the interior. Moreover, the invention relates to a method for the additive production of a component.
  • Shovels are known.
  • the blades mentioned can be used, for example, in gas turbines or aircraft turbines.
  • An insert is suitable as a guide blade as well as a rotor blade.
  • a turbine blade produced by an additive manufacturing ⁇ method is described for example in DE 10 2009 048 665 Al. Thereafter, a turbine blade with a three-dimensionally expanding grid can be made, which fills an interior of the turbine blade. This interior space is surrounded by a wall, wherein holes can be provided in this wall, which connect the interior space with a surface of the turbine blade. As can be seen, for example, from DE 10 2009 033 753 A1, such openings can be used, for example, for transporting cooling gas from the interior of the blade to its surface. In this way ei ⁇ ne film cooling of the blade with the cooling gas is possible.
  • the interior of the blade can be provided with a support structure in the form of struts by means of additive manufacturing processes. These can be designed to suit, so that a maximum reinforcement of the blade with geringstmög ⁇ Lichem cost of materials is made possible.
  • a support structure in the form of struts by means of additive manufacturing processes.
  • 2008/046386 AI describes how a blade together with the supporting inner structure can be produced in one operation by both the walls of the blade and the supporting internal structures in layers with an additive manufacturing process such.
  • the object of the invention is to provide a blade for flow engines, in particular for gas turbines or aircraft turbines, which ensures improved film cooling of the blade.
  • microchannels should be understood to mean channels whose diameter is ⁇ 1 mm or whose cross-sectional area does not exceed 0.8 mm 2 , as long as the channels do not have a circular cross-section.
  • the microchannels may preferably have a diameter of ⁇ 0.1 mm or a cross-sectional area of less than 0.08 mm 2 .
  • the openings in the wall structure are formed as microchannel ducts may have a size ⁇ re number of microchannels may be provided to achieve the total cross-section required for all cooling gas pipes.
  • the microchannels can be distributed in a regular pattern or even irregularly over the surface area. It is advantageous to arrange the microchannels in an array or a grid, whereby the grid cells defined by the grid can be arbitrarily shaped as the smallest unit of the grid.
  • the micro-channels in a quad ⁇ ratischen or rectangular grid.
  • the grid cells can also be honeycomb-shaped.
  • the grid cells may be diamond-shaped or dragon-shaped.
  • the grid cells change in their geometry over the surface area.
  • Shovels same temperature resistance and / or used with a TBC so advantageously increases their life.
  • the blades according to the invention can therefore be alternatively increase the efficiency of a turbine equipped according to the invention, since this is improved at increasing operating temperatures.
  • turbine blades can be manufactured and operated more economically without having to accept a loss of efficiency.
  • the microchannels each extend individually from the interior to the surface. This means that each of the microchannels has a defined path through the
  • Wall structure that separates the surface of the blade from the interior. About this distance can be given to the flowing refrigerant gas advantageously a certain, insbesondee rectilinear direction, wherein the direction can be set depending on the blade geometry to an optimal cooling performance out ⁇ .
  • the above-mentioned object is achieved in particular ⁇ sondere by a method for producing additive, after which the blade including the microchannels in an Ar ⁇ beitsgang can be generated so that an aftertreatment is required ⁇ step is not to produce the micro-channels. Therefore, this process advantageously allows also a blade with a large number of coolant gas ports in the form of micro-channels at a reasonable cost to manufacture, since the geometry of a component additive produced due to the location ⁇ have the structure of the component can be chosen almost arbitrarily complex, without the manufacturing complexity thereby ßern to magnification ⁇ .
  • Blade is provided that the microchannels are aligned with respect to a normal n the surface with variable angles of attack ⁇ , measured in the blade cross-section, and / or with variable Anlegewinkeln measured in the longitudinal direction of the blade. While the normal n on the surface of the blade is always vertical, it may be advantageous if the microchannels are not exactly as an extension of this nor- are aligned, but an angle of attack aufwei ⁇ sen, which is measured as an angle between the normal n and the exit direction of the microchannel on the surface of the blade.
  • the microchannels In the case of a variation of the angle of attack ⁇ , which is measured in a cross-sectional plane of the blade, it is advantageous, for example, for the microchannels to have an even smaller angle ⁇ , the greater the angle of incidence ⁇ of a flow of the turbofan on the surface of the blade.
  • the impact angle ß of the flow can be at most 90 °. Then the flow hits the blade perpendicularly, which is approximately the case at the leading edge of the blade. In this area, therefore, the thermal load of the blade material is greatest because the entrained by the flow particles collide in a relatively large number on the blade surface.
  • a cooling film in this area is most likely to be broken, since the kinetic energy of the particles is oriented perpendicular to the extension of the cooling film.
  • a variation of the angle of attack can be measured in a longitudinal ⁇ section of the blade allows Filmküh ⁇ development also at the points of the blade that are difficult to reach because of the geometry of the blade.
  • the interior of the blade must maintain a certain distance from the blade surface.
  • the microchannels can still be achieved by an angle open towards the blade edge, despite a spacing of the inner space from the radially outer edge, so that the cooling gas film advantageously does not tear off in this region as well.
  • the wall thickness of the wall structure is variable. This measure also may be advantageously ensures that the exiting of the blade surface cooling gas per unit area FLAE ⁇ is different in size. The thinner the wall structure is formed, the lower the flow resistance generated by it. Since the channels are microchannels, the flow resistance increases rapidly with increasing wall thickness of the wall structure. Therefore, this can be used advantageously as Konstrutechnischskri- Ministry in order to influence the exiting refrigerant gas di ⁇ rectly. In this case, of course, the mechanically required minimum wall thicknesses must be maintained, resulting from the mechanical loads of the blade.
  • the wall thickness of the wall structure is thinner, the greater the angle of incidence of a flow in the flow engine on the surface of the blade.
  • the thermal stress of the blade namely in the areas is larger with a larger angle of incidence of the flow on the surface, so that in this area results in a wall structure with a correspondingly thinner wall thickness to a RESIZE ⁇ ßeren flow of refrigerant gas per microchannel.
  • a larger volumetric flow of cooling gas in this surface area of the blade also causes the film that forms to become more stable and therefore can not be easily displaced by the impinging flow.
  • the distance a of the openings to adjacent openings in the surface area is variable.
  • a support structure is provided in the interior of the blade, which is mechanically connected to the wall structure and having a channel system through which the microchannels adjacent to the support structure are accessible.
  • the support structure advantageously leads to a mechanical stiffening of the blade. This causes the wall structure to be made thinner walled. The thinner-walled the wall structure may be, the greater the maximum feedable amount of cooling gas for the reasons given above, which advantageously increases the cooling capacity. However, it must be ensured that the deliverable quantity of cooling gas is not limited by the flow resistance ⁇ was the support structure. Therefore, the channel system formed by the support structure must have a sufficiently low flow resistance.
  • the blade By stiffening the blade through the support structure inside the advantage is additionally achieved that the blade can be manufactured with a lower cost of materials. On the one hand, this reduces the total mass of the moving parts in the turbine, which has a positive effect on the mechanical requirements of the turbine. For example, the bearing forces for the Turbi ⁇ nenindustrialr decrease. Another positive aspect is that the blade also has a lower heat capacity due to its lower mass. The blade can thus absorb less heat ⁇ me and deforms less due to the effective cooling. Finally, due to the creep effects, the deformations of the blade due to their lower mass are reduced, which advantageously increases the creep resistance of the blade and leads to longer service lives.
  • the support structure may be formed by a dreidimensiona ⁇ les lattice.
  • the grid consists of struts that converge into nodes.
  • this can produce a framework, which causes in terms of its mass an optimal stiffening effect. This makes it possible also to ensure that the support structure has a low flow resistance in order to ensure a sufficient Ver ⁇ supply of the microchannels with cooling gas.
  • the supporting structure comprises a supply channel for cooling gas in its interior, wherein the supply duct has a lower Strö ⁇ flow resistance, than the support structure.
  • the supply channel is separated from the support structure by a screen structure.
  • the screen structure fulfills the purpose of retaining these particles from the cooling gas so that it does not reach the microchannels via the support structure. This can counteract a risk of blockage of the microchannels. A clogging of the microchannels would have the consequence that in the surface regions of the blade, where the cooling gas channels are blocked, the cooling gas film could collapse and thus thermal damage to the blade could occur.
  • the screen openings in the screen structure have a cross-section that is at most as large as that of the microchannels. This can ensure that the screen structure particles retains in the cooling gas per ⁇ the case that are large enough that they would clog the cooling channels. It should be noted that the risk of clogging the screen structure itself compared to the
  • Micro channels is smaller, since the cooling gas in the supply ⁇ channel passes past the screen openings and only a small partial volume reaches into the screen openings into it. Also, clogging of individual screen openings is less detrimental than clogging of microchannels, since clogged screen openings are bypassed by the cooling gas, which can still be distributed to all microchannels in the support structure behind the screen structure. It is therefore advantageous if the total cross section of the screen openings is at least as large as the total cross section of the microchannels. This causes a volume flow of cooling gas through the screen openings is sufficiently large, so that the microchannels can be supplied with enough cooling gas.
  • the fabric structure can have a smaller wall thicknesses ke than the wall structure of the blade, so that, moreover, a pressure loss at the screen openings auslust less than the microchannels. Even if some of the screen openings are clogged, there is still enough high volume flow of the cooling gas, so that the microchannels can be supplied with cooling gas.
  • the supply channel is connected to an outlet opening which leads to the surface of the blade.
  • This outlet allows advantageous that particles fall into the supply channel, advertising transported through the Auslassöff ⁇ voltage from the interior of the blade out of the can.
  • the outlet opening therefore has a larger one
  • the outlet opening may advantageously lie in the surface of the blade on a suction side of the blade or in the downstream edge of the blade (trailing edge). This causes the discharge port to be subjected to a negative pressure at the blade surface, thereby ensuring a flow of the refrigerant gas out of the blade. The Parti ⁇ cle are thus sucked out, so to speak.
  • the supply channel has a corrugated or meandering contour in cross-section.
  • ⁇ through can advantageously be achieved in that the circumference of the relevant cross-section in relation to the
  • Cross-sectional area is large, so that a larger outer surface is available for the screen structure. In this way, more screen openings can be accommodated in the screen structure, which leads to the achievement of the already explained requirement of a sufficiently low pressure drop over the screen structure.
  • the transitions from the support structure into the wall structure and / or into the screen structure can also be designed to be fluid. In other words, there are no cross-sectional jumps in the channel structures formed by these structures. This has the advantage that the cooling gas flow can be transported undisturbed and thus with a lower pressure loss.
  • Au ⁇ ßerdem can acting mechanical forces are guided undisturbed structure between the support structure, the wall structure and the screen. This advantageously improves the me ⁇ chanical stability of the blade.
  • the cross section of the supply passage of a blade root off continuously radially outwardly enlarged This improves advantageous ⁇ way of a discharge of particles through the outlet opening, since the pressure of the refrigerant gas in the supply passage by ra ⁇ dial outside decreases and thus supports the transport of particles.
  • struts may be present in the supply channel. These braces further stabilize the bucket, as the opposing walls of the service channel support each other.
  • the struts in the supply channel can also be formed with a smooth transition to the screen structure or, in the absence of the screen structure, with a smooth transition to the support structure. Particularly advantageous in the supply channel a
  • Cyclone separator for the cooling gas to be integrated This has the effect that the cooling gas is passed through the cyclone separator before it passes through the screen structure and is already freed from a part of the entrained particles. This in the
  • Cyclone separated particles can be discharged through a separate outlet channel of the blade.
  • Blade as a side view, partially cut ⁇
  • FIG. 1 in detail the structure of the cut blade according Fi gur ⁇ 1 with wall structure, support structure and fabric structure, and a detail of another embodiment of the inventive blade having wall structure, support structure and fabric structure as cut.
  • a blade 11 according to FIG. 1 has a blade root 12 with which it can be inserted into a rotor, not shown, of a turbine. From the blade root 12, an airfoil 13 extends radially outward. The airfoil 13 has a leading edge 14 and a
  • a supply channel 17 extends for a cooling gas. This is shown in dashed lines in the non-cut portion of the blade 11. It can be seen that the supply channel 17 extends from an inlet opening 18 in the blade root to an outlet opening 19 near the radially outer edge 16. The outlet opening 19 is located exactly in the outflow edge 15. In the inlet opening 18 of the supply channel 17 is also a
  • Cooling gas first in an annular space 21, the supply 17 and then transported through an outlet passage 22 from the blade 11.
  • FIG. 1 also shows that openings 24 for cooling gas can be provided in a surface 23 of the blade 11. These are formed by microchannels 25 (see Figure 2), so that the cross section of the openings 24 is smaller than 0.8 mm 2 .
  • FIG. 1 shows by way of example how the openings 24 can be distributed over area regions 26a, 26b, 26c. These areas each define a
  • a grid cell 27a is thus square, but could also be rectangular (not shown).
  • the openings are honeycombed.
  • the Rasterzel ⁇ le 27b is therefore that of a regular hexagon.
  • the openings lie on curved paths, so that dragon-shaped grid cells 27c result. This measure makes it possible for the density at openings near the leading edge 14 to be greater than at the
  • FIG 2 the section II-II can be seen according to Figure 1.
  • the structure of the bucket can be described very simply by means of the section.
  • the surface 23 of the blade 11 is formed by a wall structure 28.
  • This wall Struk tur ⁇ has the microchannels 25 which are better over ⁇ sichtrete shown to a large cross section due to having.
  • the wall structure 28 includes an interior space 29 in which the microchannels 25 open.
  • the interior 29 is constructed as follows: In the middle of the cross section defined by the interior 29, the supply channel 17 is formed. This is itself stabilized by struts 31, which bridge the supply channel 17 and are flowed around by the cooling gas flowing perpendicular to the plane of the drawing. This flow set these struts 31 only a small flow resistance.
  • the supply channel is delimited by a screen structure 32, which is described in greater detail in FIGS. 8 and 9 in its structure. In Figure 2, this screen structure is indicated only by a solid line.
  • the screen structure 32 and the wall structure 28 are connected to each other via a support structure 33, wherein the support structure 33 is indicated in Figure 2 by a cross-hatching.
  • the support structure 33 from egg ⁇ nem struts 34 and node 35 having framework, which is open and therefore a channel system forms 36, wherein the ⁇ ses connects the screen structure 32 with the wall structure 28th
  • the cross-sections III-III according to Figure 3, IV-IV according to Figure 4, VV according to Figure 5, and VI-VI according to Figure 6 are structurally constructed exactly as the cross-section according to FIG 2.
  • Single ⁇ Lich in Figure 6 is also the outlet opening 19 can be seen, in which the supply channel 17 opens, so that particles can be transported out of the supply channel.
  • the cross sections according to FIGS. 2 to 6 differ by their different topology, which are predetermined by the geometry of the blade 13 according to FIG. While the blade cross-section according to FIG. 2 is designed to be smaller , the blade cross-section according to FIG. 6 is made elongated. This is based on the general ⁇ my known and conventional blade geometry.
  • the geometry of the enclosed by the wall structure 28 interior 29 inevitably changes with the blade cross-section, since the thickness of the wall structure 28 is structurally predetermined. It can be seen in all FIGS. 2 to 6 that the wall thickness of the blade on the inflow side 14 is made thinner than in the further course of the wall structure of the blade. On the one hand, the curvature of the wall structure is strongest here and is thus additionally stabilized. In addition, it is desirable that in this area the flow resistance of the microchannels 25 is particularly low. Since the flow resistance of the length of the microchannels is directly dependent, lead thinner wall thicknesses of the wall structure 28 also to a lower flow resistance.
  • the lower flow resistance is required because an impact angle ßi, as shown in Figure 2, almost perpendicular to a voltage applied to the surface 23 tangent 37.
  • a larger volume flow of cooling gas thus protects the particularly vulnerable inflow side 14 of the blade from overheating.
  • the location of the wall structure 28 is not only due to a greater thickness of the wall structure 28, but also measured by an angle of incidence ⁇ (cf., FIG. 7) relative to a normal n, which is perpendicular to the surface 23 of the blade 11.
  • the angle of incidence ⁇ causes the flow of the cooling gas to deposit on the surface 23 better than film at smaller angles of incidence ⁇ 2.
  • the cooling gas is directed counter to the flow of the blade and slows down the flow in this way. As a result, the temperature is lowered at the surface 23 in this area. Looking at Figures 3 to 6, it is clear that this consideration for an angle ⁇ and a wall thickness of the wall structure are taken into account as well, even if the angles are not shown in these figures.
  • the supply channel 17 according to FIG. 2 has an elongated wavy or meandering transverse has cut. In this area, so that the surface of the screen structure 32 is increased, so that the flow loss generated by the sieve ⁇ structure can be reduced. If one compares the cross sections of the supply channel in FIGS. 3 to 6, it can be seen that the meandering cross section of the supply channel is always less pronounced. For this, however, the cross-sectional area of the Ver ⁇ supply channel increases overall, whereby a larger area for the screen structure is available.
  • the sieve openings 38 have in Figure 7 has a smaller cross-section than the micro-channels 25. Thereby, it is ensured that particles retained 39a from the cooling gas ⁇ to, since they do not fit through the screen openings 38th A particle 39a has a size in which the risk would exist that by particles 39a, a microchannel 25 is ver ⁇ stuffs.
  • a smaller particle 39b passes through the screen opening 38, as indicated in FIG. However, it quickly becomes clear that the particle 39b is so small that it can be easily transported through the channel system 36 and the microchannel 25 without clogging the latter.
  • Figure 1 the section VIII-VIII to illustrate its orientation along the longitudinal extent of the airfoil, even if the blade 11 according to FIG. 9 is not the blade 11 according to FIG.
  • FIG. 8 shows the orientation of the angle which deviates from the normal n on the surface 23 of the blade 11.
  • the angle of attack makes sense in the sectional plane of FIG. 8 in the vicinity of the blade edge 16 inasmuch as the microchannels 25 in this region must likewise depart from the channel structure 36, which, however, just like the supply channel 17, does not quite reach the radially outer one
  • Blade edge 16 can be brought. To heranzu- bring a cooling film near as possible to the radially outer edge of the blade 16, it is therefore advantageous to an angle of attack • 24 ö- the openings of the microchannels 25 close as possible to introduce these radially outer blade edge.
  • FIG. 8 also shows a structure of the wall structure 28, the support structure 33, the screen structure 32 and the supply channel 17, in which cross-sectional jumps of the channel system formed by all these structures are avoided. It can be seen how the screen openings 38 open without cross-sectional jumps in the channel structure 36 of the support structure 33. Also, a transition of this channel structure 36 in the
  • Microchannels 25 are made with sliding cross-sectional transitions. Likewise, this is achieved for the strut 31, which extends into the supply channel 17 for its stabilization.
  • the struts 34 and nodes 35 of the support structure 33 are shown in Figure 8 schematically in section. Since the struts 34 are bar-shaped, one is

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel (11) für eine Strömungskraftmaschine, beispielsweise eine Gasturbine oder eine Flugzeugturbine. Diese weist einen Innenraum (29) auf, durch den Kühlgas über Kanäle (25) an die Oberfläche (23) der Schaufel (11) transportiert werden kann. Hierdurch soll ein Film von Kühlgas auf der Oberfläche (23) ausgebildet werden, um die Schaufel (11) thermisch zu schützen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass es sich bei den Kanälen (25) um Mikrokanäle handelt, deren Querschnittsfläche kleiner als 0,8 mm2 ist. Deswegen können vorteilhaft eine Vielzahl von Mikrokanälen (25) über die Oberfläche (23) der Schaufel (11) verteilt werden, wodurch sich zuverlässig ein geschlossener Kühlfilm auf der Schaufel ausbilden lässt. Um eine derartige Vielzahl von Mikrokanälen in der Schaufel zu verwirklichen, wird die Schaufel vorteilhaft mit einem additiven Fertigungsverfahren wie dem Laserschmelzen hergestellt, wobei dieses Verfahren ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist.

Description

Beschreibung
Schaufel für eine Strömungskraftmaschine und Verfahren zu de¬ ren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungskraft¬ maschine, aufweisend einen Innenraum, der von einer die Oberfläche der Schaufel bildenden Wandstruktur umgeben ist. In dieser Wandstruktur sind Öffnungen vorgesehen, die die Ober- fläche der Schaufel mit dem Innenraum verbinden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils.
Schaufeln für Strömungskraftmaschinen der eingangs angegebe- nen Art sowie Verfahren zum additiven Herstellen solcher
Schaufeln sind bekannt. Die genannten Schaufeln können beispielsweise in Gasturbinen oder Flugzeugturbinen zum Einsatz kommen. Ein Einsatz kommt sowohl als Leitschaufel wie auch als Laufschaufei in Frage.
Eine Turbinenschaufel, die mit einem additiven Herstellungs¬ verfahren hergestellt wurde, ist beispielsweise in der DE 10 2009 048 665 AI beschrieben. Danach kann eine Turbinenschaufel mit einem dreidimensional sich ausdehnenden Gitter hergestellt werden, welches einen Innenraum der Turbinenschaufel ausfüllt. Dieser Innenraum ist von einer Wandung umgeben, wobei in dieser Wandung Löcher vorgesehen werden können, die den Innenraum mit einer Oberfläche der Turbinenschaufel verbinden. Wie beispielsweise der DE 10 2009 033 753 AI zu entnehmen ist, können solche Öffnungen beispielsweise Verwendung finden, um Kühlgas aus dem Innenraum der Schaufel zu ihrer Oberfläche zu transportieren. Auf diesem Weg ist ei¬ ne Filmkühlung der Schaufel mit dem Kühlgas möglich. Gemäß der US 2008/0290215 AI ist beschrieben, dass mittels additiver Herstellungsverfahren der Innenraum der Schaufel mit einer Stützstruktur in Form von Streben versehen werden kann. Diese können beanspruchungsgerecht gestaltet werden, so dass eine maximale Versteifung der Schaufel mit geringstmög¬ lichem Materialaufwand ermöglicht wird. Gemäß der WO
2008/046386 AI wird beschrieben, wie eine Schaufel mitsamt der stützenden Innenstruktur in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann, indem sowohl die Wandungen der Schaufel als auch die stützenden Innenstrukturen lagenweise mit einem additiven Fertigungsverfahren, wie z. B. dem Laserschmelzen, unter Ausnutzung eines CAD-Modells hergestellt werden können. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaufel für Strömungskraftmaschinen, insbesondere für Gasturbinen oder Flugzeugturbinen, anzugeben, die eine verbesserte Filmkühlung der Schaufel gewährleistet. Weiterhin ist es Aufgabe der Er¬ findung ein Verfahren zur additiven Herstellung einer solchen Schaufel anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Schaufel er¬ findungsgemäß dadurch gelöst, dass die Öffnungen in der Wand¬ struktur durch eine Vielzahl von Mikrokanälen gebildet werden und über einen Flächenbereich der Oberfläche verteilt sind. Unter Mikrokanälen sollen im Zusammenhang dieser Erfindung Kanäle verstanden werden, deren Durchmesser < 1 mm beträgt bzw. deren Querschnittsfläche 0,8 mm2 nicht überschreitet, soweit die Kanäle keinen Kreisquerschnitt aufweisen. Bevor- zugt können die Mikrokanäle einen Durchmesser von < 0,1 mm aufweisen bzw. eine Querschnittsfläche von weniger als 0,08 mm2.
Dadurch, dass die Öffnungen in der Wandstruktur als Mikroka- näle ausgeführt sind, kann zur Verwirklichung des erforderlichen Gesamtquerschnitts für alle Kühlgasleitungen eine größe¬ re Anzahl von Mikrokanälen vorgesehen werden. Dies wiederum hat vorteilhaft zur Folge, dass die größere Vielzahl von Mik¬ rokanälen über einen Flächenbereich, d. h. einen Bereich mit einer zweidimensionalen Flächenausdehnung, verteilt werden kann, wobei dieser Flächenbereich einen Teilbereich der gesamten Schaufeloberfläche oder den gesamten Bereich der umströmten Schaufeloberfläche einnehmen kann. Die Mikrokanäle können in einem regelmäßigen Muster oder auch unregelmäßig über den Flächenbereich verteilt sein. Vorteilhaft ist es, die Mikrokanäle in einem Array oder einem Raster anzuordnen, wobei die durch das Raster definierten Rasterzellen als kleinste Einheit des Rasters beliebig geformt sein können.
Beispielsweise ist es möglich, die Mikrokanäle in einem quad¬ ratischen oder rechteckigen Raster anzuordnen. Die Rasterzellen können aber auch wabenförmig sein. Außerdem können die Rasterzellen rautenförmig oder drachenförmig sein. Dabei ist es auch möglich, dass sich die Rasterzellen in ihrer Geometrie über den Flächenbereich hinweg verändern. Beispielsweise können als viereckige Rasterzellen Drachen vorgesehen werden, welche sich von der Anströmkante der Turbinenschaufel zur Abströmkante der Turbinenschaufel immer weiter strecken, so dass die Dichte der Mikrokanäle pro Flächeneinheit an der An¬ strömkante größer ist, als an der Abströmkante. Hierdurch lässt sich vorteilhaft die ausströmende Kühlgasmenge in un¬ terschiedlichen Bereichen der Oberfläche der Schaufel variieren .
Durch eine größere Anzahl an Mikrokanälen im Vergleich zu Schaufeln mit Kanälen herkömmlicher Abmessungen kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass ein geschlossener Kühlfilm auf der Schaufeloberfläche zuverlässiger erzeugt werden kann. Auch ist es möglich, ein größeres Filmkühlungsvolumen pro Zeiteinheit zuzuführen, so dass die Kühlleistung auf der Schaufeloberfläche vergrößert werden kann. Hierdurch ist vor¬ teilhaft ein zuverlässigerer Betrieb der Turbine möglich, in die die erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln eingebaut werden. Dadurch lassen sich höhere Betriebstemperaturen der Turbinenschaufel verwirklichen oder bei gleichbleibender Betriebstemperatur können Werkstoffe ausgewählt werden, die weniger temperaturbeständig sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf eine Wärmeschutzbeschichtung der Schaufel (auch Thermal Barrier Coating, kurz TBC genannt) zu verzichten. Werden
Schaufeln gleicher Temperaturbeständigkeit und/oder mit einer TBC verwendet, so steigt vorteilhaft deren Lebensdauer. Mit den erfindungsgemäßen Schaufeln lässt sich daher alternativ der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäß ausgestatteten Turbine vergrößern, da dieser bei steigenden Betriebstemperaturen verbessert wird. Alternativ lassen sich Turbinenschaufeln wirtschaftlicher herstellen und betreiben, ohne dass hierbei ein Verlust an Wirkungsgrad hingenommen werden muss.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mikrokanäle sich jeweils einzeln von dem Innenraum hin zur Oberfläche erstrecken. Dies bedeutet, dass jeder der Mikrokanäle einen definierten Weg durch die
Wandsruktur nimmt, die die Oberfläche der Schaufel von dem Innenraum trennt. Über diese Wegstrecke kann dem strömenden Kühlgas vorteilhaft eine bestimmte, insbesondee geradlinige Richtung gegeben werden, wobei die Richtung in Abhängigkeit der Schaufelgeometrie auf eine optimale Kühlleistung hin aus¬ gelegt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die eingangs angegebene Aufgabe insbe¬ sondere durch ein Verfahren zum additiven Herstellen gelöst, wonach die Schaufel inklusive der Mikrokanäle in einem Ar¬ beitsgang erzeugt werden kann, so dass ein Nachbearbeitungs¬ schritt zur Erzeugung der Mikrokanäle nicht erforderlich ist. Dieses Verfahren ermöglicht es daher vorteilhaft, auch eine Schaufel mit sehr vielen Kühlgasöffnungen in Form von Mikro- kanälen mit vertretbarem Aufwand herzustellen, da die Geometrie eines additiv hergestellten Bauteils aufgrund des lage¬ weisen Aufbaus des Bauteils fast beliebig komplex gewählt werden kann, ohne den Fertigungsaufwand hierdurch zu vergrö¬ ßern .
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Schaufel ist vorgesehen, dass die Mikrokanäle in Bezug auf eine Normale n der Oberfläche mit variablen Anstellwinkeln φ, gemessen im Schaufelquerschnitt, und/oder mit variablen An- stellwinkeln gemessen in Längsrichtung der Schaufel, ausgerichtet sind. Während die Normale n auf der Oberfläche der Schaufel immer senkrecht steht, kann es vorteilhaft sein, wenn die Mikrokanäle nicht genau als Verlängerung dieser Nor- malen ausgerichtet sind, sondern einen Anstellwinkel aufwei¬ sen, der als Winkel zwischen der Normalen n und der Austrittsrichtung des Mikrokanals an der Oberfläche der Schaufel gemessen wird. Bei einer Variation des Anstellwinkels φ, der in einer Querschnittsebene der Schaufel gemessen wird, ist es beispielsweise vorteilhaft, dass die Mikrokanäle einen umso kleineren Winkel φ aufweisen, je größer der Auftreffwinkel ß einer Strömung der Strömungskraftmaschine auf die Oberfläche der Schaufel ist. Der Auftreffwinkel ß der Strömung kann höchstens 90° betragen. Dann trifft die Strömung senkrecht auf die Schaufel, was näherungsweise an der Anströmkante der Schaufel der Fall ist. In diesem Bereich ist daher die thermische Belastung des Schaufelmaterials am größten, da die durch die Strömung mitgeführten Teilchen in vergleichsweise großer Zahl auf die Schaufeloberfläche prallen. Außerdem wird ein Kühlfilm in diesem Bereich am ehesten durchbrochen, da die kinetische Energie der Teilchen senkrecht zur Erstreckung des Kühlfilms ausgerichtet ist. Diesen Effekten kann am bes¬ ten entgegengewirkt werden, wenn die Mikrokanäle ebenfalls senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sind, d. h. dass der Winkel φ gleich oder nahe 0 ist. Die kinetische Energie der Kühlgasteilchen ist dann der kinetischen Energie der Strömungsteilchen genau entgegengerichtet und erzeugt damit einen optimalen Widerstand gegen ein Durchbrechen des Kühlfilms.
Anders verhält es sich an der Saugseite und der Druckseite der Schaufel, wo die Strömung an der Oberfläche der Schaufel entlang streicht. Hier ist eine Ausrichtung der Mikrokanäle mit einem großen Winkel φ vorteilhaft, derart, dass das
Kühlgas aus den Mikrokanälen in Richtung der Strömung an der Schaufel austritt. Hierdurch wird das Kühlgas durch die Strö¬ mung laminar an die Oberfläche der Schaufel gedrückt, wodurch ein Film von Kühlgas entsteht. Eine Variation des Anstellwinkels der sich in einem Längs¬ schnitt der Schaufel messen lässt, ermöglicht eine Filmküh¬ lung auch an den Stellen der Schaufel, die aufgrund der Geometrie der Schaufel schwer zu erreichen sind. So muss bei- spielsweise aufgrund einer Mindestwandstärke der Schaufelwand der Innenraum der Schaufel einen gewissen Abstand zur Schaufeloberfläche einhalten. An der radial außenliegenden Schaufelkante können die Mikrokanäle durch einen zur Schaufelkante hin geöffneten Winkel trotz eines Abstands des Innenraums von der radial äußeren Kante noch erreicht werden, so dass vorteilhaft auch in diesem Bereich der Kühlgasfilm nicht abreißt. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wandstärke der Wandstruktur variabel ist. Auch mit dieser Maßnahme kann vorteilhaft erreicht werden, dass das an der Schaufeloberfläche austretende Kühlgas pro Flä¬ cheneinheit unterschiedlich groß ist. Je dünner nämlich die Wandstruktur ausgebildet ist, desto geringer ist auch der durch sie erzeugte Strömungswiderstand. Da es sich bei den Kanälen um Mikrokanäle handelt, steigt der Strömungswiderstand bei zunehmender Wandstärke der Wandstruktur nämlich schnell an. Daher kann dies vorteilhaft als Konstruktionskri- terium verwendet werden, um die austretende Kühlgasmenge di¬ rekt zu beeinflussen. Dabei müssen selbstverständlich die mechanisch erforderlichen Mindestwandstärken eingehalten werden, die sich aus den mechanischen Belastungen der Schaufel ergeben .
Beispielsweise kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die Wandstärke der Wandstruktur umso dünner ist, je größer der Auftreffwinkel einer Strömung in der Strömungskraftmaschine auf die Oberfläche der Schaufel ist. Wie bereits beschrieben, ist die thermische Beanspruchung der Schaufel nämlich in den Bereichen mit größerem Auftreffwinkel der Strömung auf die Oberfläche größer, so dass in diesem Bereich eine Wandstruktur mit einer entsprechend dünneren Wandstärke zu einem grö¬ ßeren Volumenstrom an Kühlgas pro Mikrokanal führt. Ein grö- ßerer Volumenstrom an Kühlgas in diesem Oberflächenbereich der Schaufel führt zudem dazu, dass der sich ausbildende Film stabiler wird und daher durch die auftreffende Strömung nicht so leicht verdrängt werden kann. Gemäß einer wieder anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass der Abstand a der Öffnungen zu benachbarten Öffnungen in dem Flächenbereich variabel ist. Auch dies ist eine konstruktive Maßnahme, mit der die ausgestoßene Kühlgasmenge pro Flächeneinheit der Oberfläche der Turbinen¬ schaufel beeinflusst werden kann. Je geringer die Abstände a zu benachbarten Mikrokanälen gewählt wird, desto größer ist die zur Verfügung stehende Kühlgasmenge. Dieser Effekt kann, wie bereits beschrieben, beispielsweise dazu genutzt werden, um im Bereich der Anströmkante der Schaufel eine größere Kühlgasmenge zur Verfügung zu stellen.
Die oben beschriebenen konstruktiven Maßnahmen, mit denen die Kühlgasmenge pro Flächeneinheit der Schaufeloberfläche beein¬ flusst werden können, können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, in Bereichen, wo sich aus konstruktiven Gründen die Wandstärke der Wandstruktur nicht weiter verringern lässt, beispielsweise durch Vergrößerung der Dichte der Mikrokanäle (d. h. durch Verringerung des Abstands a untereinander) eine weitere Steigerung der ausgestoßenen Kühlgasmenge zu errei¬ chen . Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Innenraum der Schaufel eine Stützstruktur vorgesehen ist, die mechanisch an die Wandstruktur angebunden ist und die ein Kanalsystem aufweist, durch welches die an die Stützstruktur angrenzenden Mikrokanäle zugänglich sind. Dabei ist sichergestellt, dass die Kanalstruktur einen gerin¬ geren Strömungswiderstand aufweist, als die an die Stütz¬ struktur angrenzenden Mikrokanäle. Die Stützstruktur führt vorteilhaft zu einer mechanischen Versteifung der Schaufel. Dies bewirkt, dass die Wandstruktur dünnwandiger ausgeführt werden kann. Je dünnwandiger die Wandstruktur sein kann, desto größer ist aus den oben angegebenen Gründen die maximal zuführbare Kühlgasmenge, was die Kühlleistung vorteilhaft vergrößert. Dabei muss allerdings sichergestellt sein, dass die zuführbare Kühlgasmenge nicht durch den Strömungswider¬ stand der Stützstruktur limitiert wird. Deswegen muss das durch die Stützstruktur gebildete Kanalsystem einen hinreichend geringen Strömungswiderstand aufweisen.
Durch eine Versteifung der Schaufel durch die Stützstruktur im Inneren wird zusätzlich der Vorteil erreicht, dass die Schaufel mit einem geringeren Materialaufwand hergestellt werden kann. Hierdurch verringert sich zum einen die Gesamt- masse der beweglichen Teile in der Turbine, was sich positiv auf die mechanischen Anforderungen an die Turbine auswirkt. Beispielsweise verringern sich die Lagerkräfte für den Turbi¬ nenläufer. Ein anderer positiver Aspekt liegt darin, dass die Schaufel aufgrund ihrer geringeren Masse auch eine geringere Wärmekapazität aufweist. Die Schaufel kann damit weniger Wär¬ me aufnehmen und verformt sich aufgrund der effektiven Kühlung weniger. Zuletzt werden die aufgrund der Kriecheffekte entstehenden Verformungen der Schaufel wegen ihrer geringeren Masse verringert, was vorteilhaft die Kriechbeständigkeit der Schaufel vergrößert und zu längeren Standzeiten führt.
Vorteilhaft kann die Stützstruktur durch ein dreidimensiona¬ les Gitter gebildet werden. Das Gitter besteht aus Streben, die jeweils in Knoten zusammenlaufen. Vorteilhaft lässt sich hierdurch ein Fachwerk erzeugen, welches in Bezug auf seine Masse einen optimalen Versteifungseffekt bewirkt. Hierdurch kann auch sichergestellt werden, dass die Stützstruktur einen geringen Strömungswiderstand aufweist, um eine genügende Ver¬ sorgung der Mikrokanäle mit Kühlgas zu gewährleisten.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die Stützstruktur in ihrem Inneren einen Versorgungskanal für Kühlgas aufweist, wobei der Versorgungskanal einen geringeren Strö¬ mungswiderstand aufweist, als die Stützstruktur. Hierdurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass das Kühlgas über den Versorgungskanal allen Bereichen der Stützstruktur in gleichem Maße zugeführt werden kann, so dass eine gleichmäßi¬ ge Versorgung der Mikrokanäle mit Kühlgas gewährleistet ist. Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Versorgungskanal von der Stützstruktur durch eine Siebstruktur abgetrennt ist. Die Siebstruktur erfüllt vorteilhaft den Zweck, dass diese Partikel aus dem Kühlgas zurückhält, so dass diese nicht über die Stützstruktur zu den Mikrokanälen gelangt. Hierdurch kann einer Verstopfungsgefahr der Mikroka- näle entgegengewirkt werden. Eine Verstopfung der Mikrokanäle hätte nämlich zur Folge, dass in den Oberflächenbereichen der Schaufel, wo Kühlgaskanäle verstopft sind, der Kühlgasfilm zusammenbrechen könnte und so eine thermische Schädigung der Schaufel erfolgen könnte.
Vorteilhaft ist es, wenn die Sieböffnungen in der Siebstruk- tur einen Querschnitt aufweisen, der höchstens so groß ist, wie derjenige der Mikrokanäle. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Siebstruktur Partikel in dem Kühlgas auf je¬ den Fall zurückhält, die groß genug sind, dass diese auch die Kühlkanäle verstopfen würden. Zu bemerken ist, dass die Ver- stopfungsgefahr der Siebstruktur selbst im Vergleich zu den
Mikrokanälen geringer ist, da das Kühlgas in dem Versorgungs¬ kanal an den Sieböffnungen vorbeistreicht und nur ein geringes Teilvolumen in die Sieböffnungen hinein gelangt. Auch ist eine Verstopfung einzelner Sieböffnungen im Vergleich zu ei- ner Verstopfung von Mikrokanälen weniger schädlich, da verstopfte Sieböffnungen von dem Kühlgas umgangen werden, die sich in der hinter der Siebstruktur liegenden Stützstruktur dennoch auf alle Mikrokanäle verteilen kann. Vorteilhaft ist daher, wenn der Gesamtquerschnitt der Sieböffnungen mindes- tens so groß ist, wie der Gesamtquerschnitt der Mikrokanäle. Dies bewirkt, dass ein Volumenstrom an Kühlgas durch die Sieböffnungen genügend groß ist, damit die Mikrokanäle mit genügend Kühlgas versorgt werden können. Hierbei ist zu be¬ rücksichtigen, dass die Siebstruktur eine geringere Wandstär- ke aufweisen kann, als die Wandstruktur der Schaufel, so dass überdies ein Druckverlust an den Sieböffnungen geringer ausfält, als an den Mikrokanälen. Selbst wenn einige der Sieböffnungen verstopft sind, bleibt daher noch ein genügend großer Volumenstrom des Kühlgases erhalten, damit die Mikro- kanäle mit Kühlgas versorgt werden können.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge- sehen, dass der Versorgungskanal mit einer Auslassöffnung verbunden ist, der zur Oberfläche der Schaufel führt. Diese Auslassöffnung ermöglicht es vorteilhaft, dass Partikel, die in den Versorgungskanal geraten sind, durch die Auslassöff¬ nung aus dem Innenraum der Schaufel heraus transportiert wer- den können. Die Auslassöffnung weist daher einen größeren
Querschnitt auf, als die Mikrokanäle, damit auch größere Par¬ tikel aus dem Innenraum ausgetragen werden können. Die Auslassöffnung kann vorteilhaft in der Oberfläche der Schaufel auf einer Saugseite der Schaufel oder in der stromabwärtigen Kante der Schaufel (Abströmkante) liegen. Dies bewirkt, dass die Auslassöffnung mit einem Unterdruck an der Schaufeloberfläche beaufschlagt wird, wodurch ein Volumenstrom des Kühlgases aus der Schaufel heraus sichergestellt ist. Die Parti¬ kel werden also sozusagen abgesaugt.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass der Versorgungskanal im Querschnitt ge¬ sehen eine gewellte oder mäandernde Kontur aufweist. Hier¬ durch kann vorteilhaft erreicht werden, dass der Umfang des betreffenden Querschnitts im Verhältnis zur
Querschnittsfläche groß ist, so dass eine größere Außenfläche für die Siebstruktur zur Verfügung steht. Hierdurch lassen sich in der Siebstruktur mehr Sieböffnungen unterbringen, was zur Erreichung der bereits erläuterten Anforderung eines ge- nügend geringen Druckabfalls über der Siebstruktur führt. Bei den oben beschriebenen Strukturen, also der Stützstruktur, der Wandstruktur und der Siebstruktur, muss es sich nicht um diskrete Strukturen handeln, die diskrete Übergänge zueinan¬ der aufweisen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Übergänge von der Stützstruktur in die Wandstruktur und/oder in die Siebstruktur auch fließend ausgebildet sein. Mit anderen Worten gibt es keine Querschnittssprünge in den durch diese Strukturen gebildeten Kanalstrukturen. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlgasströmung ungestört und damit mit einem geringeren Druckverlust transportiert werden kann. Au¬ ßerdem können die wirkenden mechanischen Kräfte ungestörter zwischen der Stützstruktur, der Wandstruktur und der Sieb- struktur geleitet werden. Dies verbessert vorteilhaft die me¬ chanische Stabilität der Schaufel.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass sich der Querschnitt des Versorgungskanals von einem Schaufelfuß aus- gehend nach radial außen vergrößert Dies verbessert vorteil¬ haft einen Austrag von Partikeln durch den Auslassöffnung, da sich der Druck des Kühlgases in den Versorgungskanal nach ra¬ dial außen verringert und damit den Transport von Partikeln unterstützt .
Vorteilhaft können in dem Versorgungskanal Verstrebungen vorhanden sein. Diese Verstrebungen führen zu einer weiteren Stabilisierung der Schaufel, da die gegenüberliegenden Wände des Versorgungskanals sich gegenseitig stützen. Auch die Ver- strebungen im Versorgungskanal können mit einem fließenden Übergang zur Siebstruktur oder bei Fehlen der Siebstruktur mit einem fließenden Übergang zur Stützstruktur ausgebildet sein . Besonders vorteilhaft kann in dem Versorgungskanal ein
Zyklonabscheider für das Kühlgas integriert sein. Dieser bewirkt, dass das Kühlgas vor einem Passieren der Siebstruktur durch den Zyklonabscheider geleitet und bereits von einem Teil der mitgeführten Partikel befreit wird. Diese im
Zyklonabscheider abgeschiedenen Partikel können durch einen gesonderten Auslasskanal aus der Schaufel ausgetragen werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen : Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaufel als Seitenansicht, teilweise aufge¬ schnitten,
Figur 2 bis 6 verschiedene Querschnitte der Schaufel gemäß
Figur 1, detailliert den Aufbau der Schaufel gemäß Fi¬ gur 1 mit Wandstruktur, Stützstruktur und Siebstruktur geschnitten und ein Detail eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsmäßen Schaufel mit Wandstruktur, Stützstruktur und Siebstruktur als Schnitt.
Eine Schaufel 11 gemäß Figur 1 weist einen Schaufelfuß 12 auf, mit dem dieser in einen nicht dargestellten Läufer einer Turbine eingesetzt werden kann. Von dem Schaufelfuß 12 er- streckt sich ein Schaufelblatt 13 nach radial außen. Das Schaufelblatt 13 weist eine Anströmkante 14 und eine
Abströmkante 15 auf, wobei das durch das Schaufelblatt reali¬ sierte Profil in den Figuren 2 bis 6 zu erkennen ist. Die Ebenen der in den Figuren 2 bis 6 dargestellten Profile sind in Figur 1 eingezeichnet.
Vom Schaufelfuß 12 bis zu einer radial äußeren Kante 16 des Schaufelblatts 13 erstreckt sich ein Versorgungskanal 17 für ein Kühlgas. Dieser ist im nicht aufgeschnittenen Bereich der Schaufel 11 gestrichelt dargestellt. Zu erkennen ist, dass sich der Versorgungskanal 17 von einer Einlassöffnung 18 im Schaufelfuß bis zu einer Auslassöffnung 19 nahe der radial äußeren Kante 16 erstreckt. Die Auslassöffnung 19 befindet sich genau in der Abströmkante 15. In der Einlassöffnung 18 des Versorgungskanals 17 befindet sich außerdem ein
Zyklonabscheider 20, mit dessen Hilfe Partikel aus dem
Kühlgas zunächst in einen Ringraum 21, der den Versorgungska- nal 17 umgibt, und dann durch einen Auslasskanal 22 aus der Schaufel 11 transportiert werden.
In Figur 1 ist außerdem dargestellt, dass in einer Oberfläche 23 der Schaufel 11 Öffnungen 24 für Kühlgas vorgesehen werden können. Diese werden durch Mikrokanäle 25 (vgl. Figur 2) gebildet, so dass der Querschnitt der Öffnungen 24 kleiner als 0,8 mm2 beträgt. In Figur 1 ist beispielhaft dargestellt, wie die Öffnungen 24 über Flächenbereiche 26a, 26b, 26c verteilt sein können. Diese Flächenbereiche definieren jeweils ein
Raster der Öffnungen 24, die in dem Flächenbereich 26a beispielsweise in einem quadratischen Raster angeordnet sind. Eine Rasterzelle 27a ist somit quadratisch, könnte aber auch rechteckig sein (nicht dargestellt) . In dem Flächenbereich 26b sind die Öffnungen wabenförmig angeordnet. Die Rasterzel¬ le 27b ist daher die eines regelmäßigen Sechsecks. In dem Flächenbereich 26c liegen die Öffnungen auf gekrümmten Bahnen, so dass sich drachenförmige Rasterzellen 27c ergeben. Durch diese Maßnahme ist es möglich, dass die Dichte an Öff- nungen nahe der Anströmkante 14 größer ist, als an der
Abströmkante 15.
In Figur 2 ist der Schnitt II-II gemäß Figur 1 zu erkennen. Der Aufbau der Schaufel lässt sich anhand des Schnitts beson- ders einfach beschreiben. Die Oberfläche 23 der Schaufel 11 wird durch eine Wandstruktur 28 ausgebildet. Diese Wandstruk¬ tur weist die Mikrokanäle 25 auf, die einer besseren Über¬ sichtlichkeit wegen mit zu großem Querschnitt dargestellt sind. Weiterhin schließt die Wandstruktur 28 einen Innenraum 29 ein, in dem die Mikrokanäle 25 münden.
Der Innenraum 29 ist folgendermaßen aufgebaut: In der Mitte des durch den Innenraum 29 definierten Querschnitts ist der Versorgungskanal 17 ausgebildet. Dieser wird selbst durch Verstrebungen 31 stabilisiert, die den Versorgungskanal 17 überbrücken und von dem senkrecht zur Zeichenebene strömenden Kühlgas umströmt werden. Dieser Strömung setzen diese Verstrebungen 31 nur einen geringen Strömungswiderstand entge- gen. Der Versorgungskanal wird von einer Siebstruktur 32 begrenzt, die in den Figuren 8 und 9 in ihrer Struktur näher beschrieben wird. In Figur 2 ist diese Siebstruktur lediglich durch eine durchgezogene Linie angedeutet. Die Siebstruktur 32 und die Wandstruktur 28 sind über eine Stützstruktur 33 miteinander verbunden, wobei die Stützstruktur 33 in Figur 2 durch eine Kreuzschraffur angedeutet ist. Wie den Figuren 7 und 8 zu entnehmen ist, besteht die Stützstruktur 33 aus ei¬ nem Streben 34 und Knoten 35 aufweisenden Fachwerk, welches offen ist und daher ein Kanalsystem 36 ausbildet, wobei die¬ ses die Siebstruktur 32 mit der Wandstruktur 28 verbindet.
Die Querschnitte III-III gemäß Figur 3, IV-IV gemäß Figur 4, V-V gemäß Figur 5 und VI-VI gemäß Figur 6 sind strukturell genauso aufgebaut, wie der Querschnitt gemäß Figur 2. Ledig¬ lich in Figur 6 ist zusätzlich die Auslassöffnung 19 zu erkennen, in die der Versorgungskanal 17 mündet, damit Partikel aus dem Versorgungskanal heraus transportiert werden können. Ansonsten unterscheiden sich die Querschnitte gemäß den Figuren 2 bis 6 durch ihre unterschiedliche Topologie, die durch die Geometrie des Schaufelblatts 13 gemäß Figur 1 vorgegeben sind. Während der Schaufelquerschnitt gemäß Figur 2 gedrunge¬ ner ausgebildet ist, ist der Schaufelquerschnitt gemäß Figur 6 gestreckter ausgebildet. Dies orientiert sich an der allge¬ mein bekannten und üblichen Schaufelgeometrie. Die Geometrie des durch die Wandstruktur 28 eingeschlossenen Innenraums 29 ändert sich zwangsläufig mit dem Schaufelquerschnitt, da die Dicke der Wandstruktur 28 konstruktiv vorgegeben ist. Zu er- kennen ist in allen Figuren 2 bis 6, dass die Wandstärke der Schaufel an der Anströmseite 14 dünner ausgebildet ist als im weiteren Verlauf der Wandstruktur der Schaufel. Einerseits ist hier die Krümmung der Wandstruktur am stärksten und wird dadurch zusätzlich stabilisiert. Außerdem ist es wünschens- wert, dass in diesem Bereich der Strömungswiderstand der Mik- rokanäle 25 besonders niedrig ist. Da der Strömungswiderstand von der Länge der Mikrokanäle direkt abhängig ist, führen dünnere Wandstärken der Wandstruktur 28 auch zu einem geringeren Strömungswiderstand.
Der geringere Strömungswiderstand ist erforderlich, da ein Auftreffwinkel ßi, wie in Figur 2 dargestellt, fast senkrecht auf einer an die Oberfläche 23 anliegenden Tangente 37 steht. Ein größerer Volumendurchsatz an Kühlgas schützt somit die besonders gefährdete Anströmseite 14 der Schaufel vor einer Überhitzung .
Im weiteren Schaufelverlauf wird der Winkel, in dem die Strö¬ mung auf die Oberfläche 23 der Schaufel 11 auftrifft, immer kleiner, wie man ß2 beispielsweise entnehmen kann. An dieser Stelle der Schaufel legt sich daher das Kühlgas leichter als Film auf die Oberfläche 23, weswegen weniger Kühlgas benötigt wird. Dies wird dadurch gesteuert, dass die Mikrokanäle 25 in diesem Bereich der Wandstruktur länger sind und dadurch einen größeren Strömungswiderstand aufweisen. Der längere Weg der Mikrokanäle 25 an der letztgenannten
Stelle der Wandstruktur 28 kommt aber nicht nur durch eine größere Dicke der Wandstruktur 28 zustande, sondern auch durch einen Anstellwinkel φ (vgl. Figur 7) gemessen bezogen auf eine Normale n, die senkrecht auf der Oberfläche 23 der Schaufel 11 steht. Der Anstellwinkel φ führt dazu, dass sich bei kleineren Auftreffwinkeln ß2 die Strömung des Kühlgases besser als Film an die Oberfläche 23 anlegt. Im Bereich der Anströmkante 14 ist es dagegen gewünscht, dass das Kühlgas der Anströmung der Schaufel entgegengerichtet ist und auf diesem Wege die Anströmung verlangsamt. Hierdurch wird auch in diesem Bereich die Temperatur an der Oberfläche 23 abgesenkt. Betrachtet man die Figuren 3 bis 6, so wird deutlich, dass diese Überlegung für einen Anstellwinkel φ und eine Wandstärke der Wandstruktur genauso berücksichtigt sind, auch wenn die Winkel in diesen Figuren nicht eingezeichnet sind.
Weiterhin wird deutlich, dass der Versorgungskanal 17 gemäß Figur 2 einen langgestreckten welligen oder mäandernden Quer- schnitt aufweist. In diesem Bereich wird damit die Oberfläche der Siebstruktur 32 vergrößert, so dass der durch die Sieb¬ struktur erzeugte Strömungsverlust verringert werden kann. Vergleicht man die Querschnitte des Versorgungskanals in den Figuren 3 bis 6 so erkennt man, dass der mäandernde Quer¬ schnitt des Versorgungskanals immer geringer ausgeprägt ist. Dafür vergrößert sich jedoch die Querschnittsfläche des Ver¬ sorgungskanals insgesamt, wodurch auch eine größere Fläche für die Siebstruktur zur Verfügung steht.
In Figur 7 lässt sich das Zusammenwirken der Wandstruktur 28, der Stützstruktur 33 und der Siebstruktur 32 genauer erkennen. Hierbei handelt es sich um drei Strukturen, deren Übergang jeweils diskret ist. Die Stützstruktur 33 ist mit ihren Streben 34 direkt auf den Wandflächen der Siebstruktur 32 und der Wandstruktur 28 verankert. Zu erkennen ist, dass die Siebstruktur 32 Sieböffnungen 38 aufweist, die den Versorgungskanal 17 jeweils mit dem durch die Stützstruktur 33 ge¬ bildeten Kanalsystem 36 verbinden. Über das Kanalsystem ge- langt das Kühlgas dann zu den Mikrokanälen 25, die in der Wandstruktur 28 ausgebildet sind.
Die Sieböffnungen 38 besitzen in Figur 7 einen geringeren Querschnitt als die Mikrokanäle 25. Dadurch ist sicherge- stellt, dass Partikel 39a aus dem Kühlgas zurückgehalten wer¬ den, da diese nicht durch die Sieböffnungen 38 passen. Ein Partikel 39a besitzt eine Größe, bei dem die Gefahr bestehen würde, dass durch das Partikel 39a ein Mikrokanal 25 ver¬ stopft wird.
Ein kleineres Partikel 39b passt durch die Sieböffnung 38, wie in Figur 7 angedeutet ist. Doch wird schnell deutlich, dass das Partikel 39b so klein ist, dass es problemlos durch das Kanalsystem 36 und den Mikrokanal 25 transportiert werden kann, ohne letzteren zu verstopfen.
In Figur 8 ist der Schnitt durch eine anders aufgebaute
Schaufel 11 gezeigt. In Figur 1 ist der Schnitt VIII-VIII eingezeichnet, um dessen Ausrichtung entlang der Längenausdehnung des Schaufelblatts zu verdeutlichen, auch wenn es sich bei der Schaufel 11 gemäß Figur 9 nicht um die Schaufel 11 gemäß Figur 1 handelt.
Der Figur 8 kann man die Ausrichtung des Winkels entnehmen, der von der Normalen n auf der Oberfläche 23 der Schaufel 11 abweicht. Der Anstellwinkel macht in der Schnittebene von Figur 8 in der Nähe von der Schaufelkante 16 insofern Sinn, dass die Mikrokanäle 25 in diesem Bereich ebenfalls von der Kanalstruktur 36 abgehen müssen, die jedoch genauso wie der Versorgungskanal 17 nicht ganz bis an die radial äußere
Schaufelkante 16 herangeführt werden kann. Um einen Kühlfilm möglichst nahe an die radial äußere Schaufelkante 16 heranzu- bringen, ist es daher von Vorteil, durch einen Anstellwinkel •ö- die Öffnungen 24 der Mikrokanäle 25 möglichst nah an diese radial äußere Schaufelkante heranzuführen.
Der Figur 8 ist außerdem ein Aufbau der Wandstruktur 28, der Stützstruktur 33, der Siebstruktur 32 und des Versorgungskanals 17 zu entnehmen, bei dem Querschnittssprünge des durch alle diese Strukturen gebildeten Kanalsystems vermieden werden. Man kann erkennen, wie sich die Sieböffnungen 38 ohne Querschnittssprünge in die Kanalstruktur 36 der Stützstruktur 33 öffnen. Auch ein Übergang dieser Kanalstruktur 36 in die
Mikrokanäle 25 erfolgt mit gleitenden Querschnittsübergängen. Genauso wird dies für die Verstrebung 31 erreicht, welche in den Versorgungskanal 17 zu dessen Stabilisierung hineinreicht .
Die Streben 34 und Knoten 35 der Stützstruktur 33 sind in Figur 8 schematisch im Schnitt dargestellt. Da es sich bei den Streben 34 um stangenartige Gebildet handelt, ist eine
Umströmung dieser Streben vor und hinter der Zeichenebene oh- ne Weiteres möglich. Der Eindruck gemäß Figur 8, dass die Ka¬ nalstruktur 36 aus einzelnen nicht fluidisch miteinander verbundenen Zellen bestehe, täuscht also. Eine Verbindung zwi- sehen den Sieböffnungen 38 und den Mikrokanälen 25 ist daher gewährleistet .

Claims

Patentansprüche
1. Schaufel für eine Strömungskraftmaschine, aufweisend einen Innenraum (29), der von einer die Oberfläche (23) der Schau- fei bildenden Wandstruktur (28) umgeben ist, wobei Öffnungen (24) in der Wandstruktur (28) vorgesehen sind, die die Oberfläche (23) mit dem Innenraum (29) verbinden,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Öffnungen (24) in der Wandstruktur (28) durch eine Vielzahl von Mikrokanälen (25) gebildet werden, wobei
• sich die Mikrokanäle (25) jeweils einzeln von dem Innen¬ raum zur Oberfläche erstrecken,
• die Mikrokanäle (25) jeweils eine Wegstrecke bilden, die für strömendes Kühlgas eine bestimmte Richtung vorgibt und
• die Mikrokanäle (25) über einen Flächenbereich (26a,
26b, 26c) der Oberfläche (23) verteilt sind.
2. Schaufel nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Mikrokanäle (25) jeweils einzeln sich von dem Innen¬ raum (29) zur Oberfläche (23) erstrecken.
3. Schaufel nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Mikrokanäle (25) in Bezug auf eine Normale n der Oberfläche (23) mit variablen Anstellwinkeln φ, gemessen im Schaufelquerschnitt, und/oder mit variablen Anstellwinkeln , gemessen in Längsausrichtung der Schaufel, ausgerichtet sind.
4. Schaufel nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Mikrokanäle (25) einen umso kleineren Winkel φ auf¬ weisen, je größer der Auftreffwinkel ß einer Strömung in der Strömungskraftmaschine auf die Oberfläche (23) der Schaufel ist .
5. Schaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Wandstärke der Wandstruktur (28) variabel ist.
6. Schaufel nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Wandstärke der Wandstruktur (28) umso dünner ist, je größer der Auftreffwinkel ß einer Strömung in der Strömungskraftmaschine auf die Oberfläche (23) der Schaufel ist.
7. Schaufel nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Abstand a der Öffnungen (24) zu benachbarten Öffnungen (24) in dem Flächenbereich (26a, 26b, 26c) variabel ist.
8. Schaufel nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Abstand a umso kleiner ist, je größer der Auftreff¬ winkel ß einer Strömung in der Strömungskraftmaschine auf die Oberfläche (23) der Schaufel ist.
9. Schaufel nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass im Innenraum (29) der Schaufel eine Stützstruktur (33) vorgesehen ist, die mechanisch an die Wandstruktur (28) ange- bunden ist und die ein Kanalsystem (36) aufweist, durch wel¬ ches die an die Stützstruktur (33) angrenzenden Mikrokänäle (25) zugänglich sind, wobei das Kanalsystem einen geringeren Strömungswiderstand aufweist, als die an die Stützstruktur (33) angrenzenden Mikrokänäle.
10. Schaufel nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stützstruktur (33) durch ein dreidimensionales Git¬ ter gebildet ist.
11. Schaufel nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Stützstruktur (33) in ihrem Inneren einen Versorgungskanal (17) für Kühlgas aufweist, wobei der
Versorgungskanal einen geringeren Strömungswiderstand auf¬ weist, als die Stützstruktur.
12. Schaufel nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Versorgungskanal (17) von der Stützstruktur (33) durch eine Siebstruktur (32) abgetrennt ist.
13. Schaufel nach Anspruch 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass Sieböffnungen (38) in der Siebstruktur einen Querschnitt aufweisen, der höchstens so groß ist, wie derjenige der Mik- rokanäle (25) .
14. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Versorgungskanal (17) mit einer Auslassöffnung (19) verbunden ist, der zur Oberfläche (23) der Schaufel führt.
15. Schaufel nach Anspruch 14
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Auslassöffnung (19) in der Oberfläche (23) der
Schaufel auf einer Saugseite der Schaufel oder in der
stromabwärtigen Kante der Schaufel liegt.
16. Schaufel nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Versorgungskanal (17) im Querschnitt eine gewellte oder mäandernde Kontur aufweist.
17. Schaufel nach einem der Ansprüche 11 bis 16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Gesamtquerschnitt der Sieböffnungen (38) mindestens so groß ist, wie der Gesamtquerschnitt der Mikrokanäle (25)
18. Schaufel nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass die Übergänge von der Stützstruktur (33) in die Wand¬ struktur (28) und/oder in die Siebstruktur (32) fließend ausgebildet sind.
19. Schaufel nach einem der Ansprüche 11 bis 18,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass sich der Querschnitt des Versorgungskanals (17) von ei¬ nem Schaufelfuß ausgehend nach radial außen vergrößert.
20. Schaufel nach einem der Ansprüche 11 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Versorgungskanal (17) Verstrebungen (31) vorhanden sind.
21. Schaufel nach einem der Ansprüche 11 bis 20,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass in den Versorgungkanal (17) ein Zyklon-Abscheider (20) für das Kühlgas integriert ist.
22. Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein Bauteil gemäß einem der voranstehenden Ansprüche hergestellt wird.
PCT/EP2016/065243 2015-07-13 2016-06-30 Schaufel für eine strömungskraftmaschine und verfahren zu deren herstellung Ceased WO2017009051A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201680041204.7A CN107835887B (zh) 2015-07-13 2016-06-30 用于流体动力机械的叶片及其制造方法
JP2018501242A JP6706665B2 (ja) 2015-07-13 2016-06-30 流体動力機械用翼およびその製造方法
US15/743,768 US10550701B2 (en) 2015-07-13 2016-06-30 Blade for a turbo engine
EP16734619.6A EP3298242B1 (de) 2015-07-13 2016-06-30 Schaufel für eine strömungskraftmaschine und verfahren zu deren herstellung

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015213090.8A DE102015213090A1 (de) 2015-07-13 2015-07-13 Schaufel für eine Strömungskraftmaschine und Verfahren zu deren Herstellung
DE102015213090.8 2015-07-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017009051A1 true WO2017009051A1 (de) 2017-01-19

Family

ID=56345111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/065243 Ceased WO2017009051A1 (de) 2015-07-13 2016-06-30 Schaufel für eine strömungskraftmaschine und verfahren zu deren herstellung

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10550701B2 (de)
EP (1) EP3298242B1 (de)
JP (1) JP6706665B2 (de)
CN (1) CN107835887B (de)
DE (1) DE102015213090A1 (de)
WO (1) WO2017009051A1 (de)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3456923A1 (de) * 2017-09-11 2019-03-20 MTU Aero Engines GmbH Schaufel einer strömungsmaschine mit kühlkanal und darin angeordnetem verdrängungskörper sowie verfahren zur herstellung
EP3581760A1 (de) * 2018-06-14 2019-12-18 MTU Aero Engines GmbH Schaufelblatt für eine strömungsmaschine
US10550701B2 (en) 2015-07-13 2020-02-04 Siemens Aktiengesellschaft Blade for a turbo engine
US11149550B2 (en) 2019-02-07 2021-10-19 Raytheon Technologies Corporation Blade neck transition
US11220915B2 (en) * 2018-05-04 2022-01-11 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Component wall of a hot gas component
EP3954864A1 (de) * 2020-08-10 2022-02-16 Raytheon Technologies Corporation Rotor-/schaufelkühlpassagen
EP3954863A1 (de) * 2020-08-10 2022-02-16 Raytheon Technologies Corporation Blatthalsübergang

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180073390A1 (en) * 2016-09-13 2018-03-15 Rolls-Royce Corporation Additively deposited gas turbine engine cooling component
US20180141127A1 (en) * 2016-11-21 2018-05-24 Pratt & Whitney Canada Corp. Method of manufacturing a component with passages
DE102017207028A1 (de) * 2017-04-26 2018-10-31 MTU Aero Engines AG Schaufelblatt für eine strömungsmaschine
DE102017208645A1 (de) * 2017-05-22 2018-11-22 Siemens Aktiengesellschaft Messsondenkopf
DE102018211158A1 (de) 2018-07-06 2020-01-09 MTU Aero Engines AG Schaufelanordnung für eine Gasturbine und Verfahren zum Herstellen der Schaufelanordnung
CN109538304B (zh) * 2018-11-14 2021-04-20 哈尔滨工程大学 一种微型交错肋与气膜孔相结合的涡轮叶片混合冷却结构
US11566527B2 (en) 2018-12-18 2023-01-31 General Electric Company Turbine engine airfoil and method of cooling
US10767492B2 (en) 2018-12-18 2020-09-08 General Electric Company Turbine engine airfoil
US11499433B2 (en) 2018-12-18 2022-11-15 General Electric Company Turbine engine component and method of cooling
US11352889B2 (en) 2018-12-18 2022-06-07 General Electric Company Airfoil tip rail and method of cooling
US11174736B2 (en) 2018-12-18 2021-11-16 General Electric Company Method of forming an additively manufactured component
GB201820669D0 (en) * 2018-12-19 2019-01-30 Rolls Royce Plc Turbine blade
US10871074B2 (en) 2019-02-28 2020-12-22 Raytheon Technologies Corporation Blade/vane cooling passages
US10844728B2 (en) 2019-04-17 2020-11-24 General Electric Company Turbine engine airfoil with a trailing edge
CN110617114B (zh) * 2019-09-02 2021-12-03 上海大学 覆陶高温合金静叶片
US11242760B2 (en) * 2020-01-22 2022-02-08 General Electric Company Turbine rotor blade with integral impingement sleeve by additive manufacture
GB2591298B (en) * 2020-01-27 2022-06-08 Gkn Aerospace Sweden Ab Outlet guide vane cooler
CN111636925B (zh) * 2020-06-08 2021-05-28 清华大学 涡轮转子叶片及具有其的涡轮机械
WO2022060567A1 (en) * 2020-09-21 2022-03-24 Materialise N.V. Three-dimensional (3d) printed objects with dynamic mechanical characteristics
WO2022157931A1 (ja) * 2021-01-22 2022-07-28 株式会社ニコン 造形システム
DE102021208829A1 (de) 2021-08-12 2023-02-16 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Leitschaufel für eine Dampfturbine
WO2023038622A1 (en) * 2021-09-09 2023-03-16 General Electric Company Cyclonic particle separator
US11905849B2 (en) * 2021-10-21 2024-02-20 Rtx Corporation Cooling schemes for airfoils for gas turbine engines
US11814973B2 (en) * 2022-01-04 2023-11-14 General Electric Company Methods and apparatus to provide damping of an airfoil

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1995411A2 (de) * 2007-05-23 2008-11-26 Rolls-Royce plc Hohlprofil und Herstellungsverfahren dafür
DE102009048665A1 (de) * 2009-09-28 2011-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Turbinenschaufel und Verfahren zu deren Herstellung
EP2653655A2 (de) * 2012-04-17 2013-10-23 General Electric Company Komponenten mit Mikrokanalkühlung

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08158802A (ja) 1994-11-30 1996-06-18 Toshiba Corp ガスタービン冷却翼
EP0889201B1 (de) * 1997-07-03 2003-01-15 ALSTOM (Switzerland) Ltd Prallanordnung für ein konvektives Kühl-oder Heizverfahren
GB2343486B (en) * 1998-06-19 2000-09-20 Rolls Royce Plc Improvemnts in or relating to cooling systems for gas turbine engine airfoil
JP2002539350A (ja) 1999-03-09 2002-11-19 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト タービン翼およびその製造方法
US6325593B1 (en) * 2000-02-18 2001-12-04 General Electric Company Ceramic turbine airfoils with cooled trailing edge blocks
US7467922B2 (en) * 2005-07-25 2008-12-23 Siemens Aktiengesellschaft Cooled turbine blade or vane for a gas turbine, and use of a turbine blade or vane of this type
US7488156B2 (en) * 2006-06-06 2009-02-10 Siemens Energy, Inc. Turbine airfoil with floating wall mechanism and multi-metering diffusion technique
EP1898051B8 (de) 2006-08-25 2017-08-02 Ansaldo Energia IP UK Limited Gasturbinenschaufel mit Kühlung der Leitkante
DE102006049218A1 (de) 2006-10-18 2008-04-30 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils
DE102009033753A1 (de) 2009-07-17 2011-01-27 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Verfahren und Anordnung zur Filmkühlung von Turbinenschaufeln
US8449254B2 (en) 2010-03-29 2013-05-28 United Technologies Corporation Branched airfoil core cooling arrangement
US9334741B2 (en) * 2010-04-22 2016-05-10 Siemens Energy, Inc. Discreetly defined porous wall structure for transpirational cooling
US9008176B2 (en) * 2011-01-22 2015-04-14 Qualcomm Incorporated Combined reference picture list construction for video coding
JP5683336B2 (ja) 2011-03-14 2015-03-11 三菱重工業株式会社 ガスタービン
US10036258B2 (en) 2012-12-28 2018-07-31 United Technologies Corporation Gas turbine engine component having vascular engineered lattice structure
US20140302278A1 (en) * 2013-04-09 2014-10-09 General Electric Company Components with double sided cooling features and methods of manufacture
BR112015028346A2 (pt) 2013-05-29 2017-07-25 Gen Electric método de formação de um componente compósito
US9482249B2 (en) * 2013-09-09 2016-11-01 General Electric Company Three-dimensional printing process, swirling device and thermal management process
DE102015213090A1 (de) 2015-07-13 2017-01-19 Siemens Aktiengesellschaft Schaufel für eine Strömungskraftmaschine und Verfahren zu deren Herstellung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1995411A2 (de) * 2007-05-23 2008-11-26 Rolls-Royce plc Hohlprofil und Herstellungsverfahren dafür
DE102009048665A1 (de) * 2009-09-28 2011-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Turbinenschaufel und Verfahren zu deren Herstellung
EP2653655A2 (de) * 2012-04-17 2013-10-23 General Electric Company Komponenten mit Mikrokanalkühlung

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10550701B2 (en) 2015-07-13 2020-02-04 Siemens Aktiengesellschaft Blade for a turbo engine
EP3456923A1 (de) * 2017-09-11 2019-03-20 MTU Aero Engines GmbH Schaufel einer strömungsmaschine mit kühlkanal und darin angeordnetem verdrängungskörper sowie verfahren zur herstellung
US11220915B2 (en) * 2018-05-04 2022-01-11 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Component wall of a hot gas component
EP3581760A1 (de) * 2018-06-14 2019-12-18 MTU Aero Engines GmbH Schaufelblatt für eine strömungsmaschine
US11248474B2 (en) 2018-06-14 2022-02-15 MTU Aero Engines AG Airfoil for a turbomachine
US11149550B2 (en) 2019-02-07 2021-10-19 Raytheon Technologies Corporation Blade neck transition
EP3954864A1 (de) * 2020-08-10 2022-02-16 Raytheon Technologies Corporation Rotor-/schaufelkühlpassagen
EP3954863A1 (de) * 2020-08-10 2022-02-16 Raytheon Technologies Corporation Blatthalsübergang

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015213090A1 (de) 2017-01-19
EP3298242A1 (de) 2018-03-28
JP2018524517A (ja) 2018-08-30
US10550701B2 (en) 2020-02-04
CN107835887A (zh) 2018-03-23
JP6706665B2 (ja) 2020-06-10
US20180202296A1 (en) 2018-07-19
CN107835887B (zh) 2020-10-13
EP3298242B1 (de) 2019-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3298242B1 (de) Schaufel für eine strömungskraftmaschine und verfahren zu deren herstellung
EP1113145B1 (de) Schaufel für Gasturbinen mit Drosselquerschnitt an Hinterkante
DE602005000449T2 (de) Kühlung mit Mikrokanälen für eine Turbinenschaufel
DE102015213087A1 (de) Schaufel für eine Strömungskraftmaschine und Verfahren zu deren Herstellung
EP2362065B1 (de) Nebenstromkanal mit Nachleitschaufelkranz in einem Turbofantriebwerk
EP3191244B1 (de) Verfahren zur herstellung einer laufschaufel und so erhaltene schaufel
EP2132414B1 (de) Shiplap-anordnung
EP0916812B1 (de) Endstufe für axialdurchströmte Turbine
DE102011008695A1 (de) Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauelements mit einer integrierten Dämpfung für eine Strömungsmaschine und generativ hergestelltes Bauelement mit einer integrierten Dämpfung für eine Strömungsmaschine
EP2787182B1 (de) Leitschaufel für eine Strömungsmaschine, Leitschaufelgitter und Verfahren zur Herstellung einer Leitschaufel oder eines Leitschaufelgitters
EP2617949B1 (de) Strömungsmaschinen-Dichtungsanordnung
EP2584146A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine und entsprechende Laufschaufel
WO2012072384A1 (de) Strömungsmaschine mit dichtstruktur zwischen drehenden und ortsfesten teilen sowie verfahren zur herstellung dieser dichtstruktur
EP3207217B1 (de) Filmgekühltes gasturbinenbauteil
EP1292760B1 (de) Konfiguration einer kühlbaren turbinenschaufel
EP1766192B1 (de) Schaufelrad einer turbine mit einer schaufel und mindestens einem kühlkanal
EP1557533B1 (de) Kühlung einer Turbinenschaufel mit einem Doppelboden zwischen Schaufelblatt und Schaufelspitze
EP3034782A1 (de) Filmgekühlte Turbinenschaufel
DE102006019946B4 (de) Flügelprofil für einen Axialströmungskompressor, das die Verluste im Bereich niedriger Reynolds-Zahlen verringern kann
WO2020157190A1 (de) Gasturbinen-heissgas-bauteil und verfahren zum herstellen eines derartigen gasturbinen-heissgas-bauteils
EP3232001A1 (de) Laufschaufel für eine turbine
WO2018010918A1 (de) Turbinenschaufel mit strebenförmigen kühlrippen
WO2019137757A1 (de) Turbinenschaufelblatt, turbinenschaufel und verfahren zu deren herstellung
DE102011008773A1 (de) Wärmetauscher und Strahltriebwerk mit solchem
DE10316909B4 (de) Kühlbares Turbinenblatt mit Rippen im Kühlkanal

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16734619

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016734619

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15743768

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018501242

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE