DE102021200125A1

DE102021200125A1 - Blade cluster of a turbomachine

Info

Publication number: DE102021200125A1
Application number: DE102021200125.4A
Authority: DE
Inventors: Jonas Schmid; Achmed Schulz; David de Arcos; Ewald Lutum; Carsten Schneider; Hans-Jörg Bauer
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-04-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelcluster eines Schaufelkranzes, insbesondere eines Leit- oder Laufkranzes, einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbinenstufe einer Gasturbine. Das Schaufelcluster-Segment umfasst eine nabenseitige Seitenwand (2) zur nabenseitigen Begrenzung eines Heißgasstrom führenden Strömungskanals (7) und eine Schaufel. Das Schaufelcluster ist dazu ausgebildet und bestimmt mit weiteren Schaufelclustern den Schaufelkranz auszubilden. Zwischen der nabenseitigen Seitenwand (2) und einer in Umfangsrichtung benachbarten nabenseitigen Seitenwand (2) eines weiteren Schaufelclusters befindet sich ein Segmentspalt (5) der Sperrluft (6) in den Strömungskanal leitet. Der Segmentspalt (5) ist in einem Schnitt quer zur Axialrichtung, zumindest im Bereich der Einmündung in den Heißgaskanal, gegenüber der Radialrichtung mit einem Neigungswinkel (8) geneigt.The present invention relates to a blade cluster of a blade ring, in particular a guide ring or rotor ring, of a turbo machine, in particular a turbine stage of a gas turbine. The blade cluster segment comprises a hub-side side wall (2) for the hub-side delimitation of a flow channel (7) carrying hot gas flow and a blade. The blade cluster is designed and intended to form the blade ring with further blade clusters. Between the hub-side side wall (2) and a circumferentially adjacent hub-side side wall (2) of a further blade cluster is a segment gap (5) which guides the sealing air (6) into the flow channel. The segment gap (5) is inclined in a section transverse to the axial direction, at least in the area of the confluence with the hot gas duct, with an angle of inclination (8) with respect to the radial direction.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelcluster eines Schaufelkranzes und ist im Bereich der thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken, angesiedelt. Die Turbinenschaufeln in Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken sind thermisch hoch belastet und müssen deshalb konvektiv und durch gezieltes Ausblasen von Kühlluft durch Öffnungen in der Schaufeloberfläche (Filmkühlung) gekühlt werden. Um einen optimalen Kühleffekt zu erreichen, schlägt die vorliegende Erfindung in Anspruch 1 eine geometrisch optimierte Form eines Schaufelclusters vor, sowie die Bildung eines Schaufelkranzes aus den erfindungsgemäßen Schaufelclustern in Anspruch 5.The present invention relates to a blade cluster of a blade ring and is located in the field of thermal flow machines, in particular gas turbines and aircraft engines. The turbine blades in gas turbines and aircraft engines are subject to high thermal loads and must therefore be cooled convectively and by purposefully blowing out cooling air through openings in the blade surface (film cooling). In order to achieve an optimal cooling effect, the present invention proposes in claim 1 a geometrically optimized shape of a blade cluster, as well as the formation of a blade ring from the blade clusters according to the invention in claim 5.

Der Strömungspfad im Turbinenteil einer Gasturbine hat einen kreisringförmigen Querschnitt und besteht aus mehreren Turbinenstufen. Jede Turbinenstufe besteht aus einem Leit- und einem Laufrad. Diese lassen sich in einzelne Schaufelcluster als funktionelle Einheiten unterteilen. Fertigungs- und funktionsbedingt wiederum besteht ein Schaufelcluster aus einzelnen Segmenten. In einigen Ausführungsformen können die Segmente eines Schaufelclusters fest oder integral miteinander verbunden sein. Beispielsweise kann das Schaufelcluster mit Schaufeln und Innen- und/oder Außendeckbandsegmenten ein einstückiges Gussteil sein. In anderen Ausführungsformen sind die Segmente lose verbunden.The flow path in the turbine part of a gas turbine has a circular cross-section and consists of several turbine stages. Each turbine stage consists of a stator and an impeller. These can be divided into individual blade clusters as functional units. In turn, a blade cluster consists of individual segments for manufacturing and functional reasons. In some embodiments, the segments of a blade cluster can be fixedly or integrally connected to one another. For example, the blade cluster with blades and inner and / or outer shroud segments can be a one-piece cast part. In other embodiments the segments are loosely connected.

Die Erfindung beinhaltet eine geometrische Optimierung des Segmentspaltes (5), welche die Ablöseneigung verringert und somit eine bessere Nutzung der durch den Segmentspalt (5) ausgeblasenen Sperrluft (6) zur Kühlung der Seitenwand (2, 3) und Turbinenschaufeln (4) möglich macht. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Wirkungsgrad der Maschine zu steigern.The invention includes a geometric optimization of the segment gap ( 5 ), which reduces the tendency to peel off and thus a better use of the segment gap ( 5 ) blown sealing air ( 6th ) for cooling the side wall ( 2 , 3 ) and turbine blades ( 4th ) makes possible. This makes it possible to increase the efficiency of the machine.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.Advantageous further developments of the present invention are each the subject matter of subclaims and embodiments.

Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.Exemplary embodiments according to the invention can have one or more of the features mentioned below in any combination, provided that one or the specific combination is not recognizable as obviously technically impossible for the person skilled in the art. The subjects of the subclaims also each specify exemplary embodiments according to the invention.

Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein“ bzw. „kann haben“ usw. synonym zu „ist vorzugsweise“ bzw. „hat vorzugsweise“ usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern.In all of the statements made above and below, the use of the expression “can be” or “may have” etc. is to be understood as synonymous with “is preferably” or “preferably” etc. and is intended to explain exemplary embodiments according to the invention.

Wann immer hierin Alternativen mit „und/ oder“ eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene „oder“ vorzugsweise als „entweder oder“ und vorzugsweise nicht als „und“.Whenever alternatives with “and / or” are introduced herein, the person skilled in the art understands the “or” contained therein preferably as “either or” and preferably not as “and”.

Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.Embodiments mentioned herein are to be understood as purely exemplary embodiments of the present invention according to the invention, which are not to be understood as restrictive.

Das erfindungsgemäße Schaufelcluster eines Schaufelkranzes kann insbesondere Bestandteil eines Leit- oder Laufkranzes, einer Strömungsmaschine sein. Damit ist das erfindungsgemäße Schaufelcluster insbesondere Bestandteil einer Turbinenstufe einer Gasturbine. Das Schaufelcluster weist eine nabenseitige Seitenwand zur nabenseitigen Begrenzung eines Heißgasstroms auf. Der Heißgasstrom wird von einem Strömungskanal durch das Schaufelcluster geführt. Weiterhin weist das Schaufelcluster eine Schaufel auf. Das Schaufelcluster ist dazu ausgelegt mit weiteren Schaufelclustern den Schaufelkranz auszubilden. Bei Bildung eines Schaufelkranzes aus den Schaufelclustern befindet sich zwischen der nabenseitigen Seitenwand und einer in Umfangsrichtung benachbarten nabenseitigen Seitenwand eines weiteren Schaufelclusters ein Segmentspalt. Durch den Segmentspalt wird Sperrluft in den Strömungskanal geleitet. Beim erfindungsgemäßen Schaufelcluster ist der Segmentspalt in einem Schnitt quer zur Axialrichtung, zumindest im Bereich der Einmündung in den Heißgaskanal, gegenüber der Radialrichtung um einen Neigungswinkel geneigt.The blade cluster according to the invention of a blade ring can in particular be a component of a guide ring or running ring, of a turbomachine. The blade cluster according to the invention is thus in particular a component of a turbine stage of a gas turbine. The blade cluster has a side wall on the hub side for limiting a hot gas flow on the hub side. The hot gas flow is guided through the blade cluster by a flow channel. The blade cluster also has a blade. The blade cluster is designed to form the blade ring with further blade clusters. When a blade ring is formed from the blade clusters, a segment gap is located between the hub-side wall and a hub-side adjacent side wall of a further blade cluster in the circumferential direction. Sealing air is fed through the segment gap into the flow channel. In the case of the blade cluster according to the invention, the segment gap is inclined in a section transverse to the axial direction, at least in the region of the confluence with the hot gas duct, by an angle of inclination relative to the radial direction.

In Radialrichtung kann der Segmentspalt linear oder nicht-linear, beispielsweise geknickt, verlaufen.In the radial direction, the segment gap can run linearly or non-linearly, for example bent.

In einigen erfindungsgemäßen Schaufelclustern sind Segmentspalte zusätzlich auch innerhalb des Schaufelclusters zwischen den einzelnen Segmenten des Schaufelclusters angeordnet.In some blade clusters according to the invention, segment gaps are also arranged within the blade cluster between the individual segments of the blade cluster.

In einigen erfindungsgemäßen Schaufelclustern liegt der Neigungswinkel des Segmentspalts im Bereich von -80° bis +80°.In some blade clusters according to the invention, the angle of inclination of the segment gap is in the range from -80 ° to + 80 °.

Einige erfindungsgemäße Schaufelclustern weisen genau eine, genau zwei, genau drei, genau vier, genau fünf oder mehr Schaufeln auf. Bei den Schaufeln kann es sich um Leit- oder Laufschaufeln handeln.Some blade clusters according to the invention have exactly one, exactly two, exactly three, exactly four, exactly five or more blades. The blades can be guide blades or rotor blades.

In einigen erfindungsgemäßen Schaufelclustern variiert der Neigungswinkel des Segmentspalts ausgehend vom stromaufliegenden Teils des Schaufelclusters zum stromabliegenden Teils des Schaufelclusters in Richtung des verlaufenden Strömungskanals. Der Neigungswinkel des Segmentspalts, der in einem Schnitt quer zur Axialrichtung gegenüber der Radialrichtung definiert ist, variiert derart, dass die Umfangskomponente der aus dem Segmentspalt austretenden Sperrluft in Axialrichtung entlang des Segmentspalts zumindest abschnittsweise entsprechend der Umfangskomponente der Heißgasströmung an der jeweiligen Stelle in Axialrichtung entlang des Segmentspalts variiert.In some blade clusters according to the invention, the angle of inclination of the segment gap varies starting from the upstream part of the blade cluster to the downstream part of the Blade clusters in the direction of the running flow channel. The angle of inclination of the segment gap, which is defined in a section transverse to the axial direction with respect to the radial direction, varies such that the circumferential component of the sealing air exiting the segment gap in the axial direction along the segment gap at least in sections corresponding to the circumferential component of the hot gas flow at the respective point in the axial direction along the Segment gap varies.

Mit anderen Worten kann der Neigungswinkel an die jeweilige Strömungsrichtung im Heißgaskanal angepasst sein und entsprechend variieren.In other words, the angle of inclination can be adapted to the respective flow direction in the hot gas duct and vary accordingly.

Der Neigungswinkel kann dazu beispielsweise - entlang der Axialrichtung bzw. entlang der Längsrichtung des Segmentspalts - von positiv zu negativ wechseln und umgekehrt und/oder sich vergrößern oder verkleinern.For this purpose, the angle of inclination can change from positive to negative and vice versa and / or increase or decrease, for example — along the axial direction or along the longitudinal direction of the segment gap.

Einige erfindungsgemäße Schaufelcluster bilden einen Schaufelkranz.Some blade clusters according to the invention form a blade ring.

In einigen erfindungsgemäßen Schaufelkränzen, befindet sich zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten außenliegenden Seitenwänden jeweils ein Segmentspalt. Der Segmentspalt ist in einem Schnitt quer zur Axialrichtung gegenüber der Radialrichtung um einen Neigungswinkel geneigt. Der Neigungswinkel des Segmentspalts variiert, vom stromaufliegenden Teils eines Schaufelclusters des Schaufelkranzes in Richtung des stromabliegenden Teils eines Schaufelclusters des Schaufelkranzes entlang des verlaufenden Strömungskanals, derart in einem Schnitt quer zur Axialrichtung gegenüber der Radialrichtung, dass die Umfangskomponente der aus dem Segmentspalt (5) austretenden Sperrluft (6) in Axialrichtung entlang des Segmentspalts zumindest abschnittsweise entsprechend der Umfangskomponente der Heißgasströmung an der jeweiligen Stelle in Axialrichtung entlang des Segmentspalts variiert.In some of the blade rings according to the invention, there is a segment gap in each case between the outer side walls which are adjacent in the circumferential direction. In a section transverse to the axial direction, the segment gap is inclined by an angle of inclination relative to the radial direction. The angle of inclination of the segment gap varies, from the upstream part of a blade cluster of the blade ring in the direction of the downstream part of a blade cluster of the blade ring along the running flow channel, in a section transverse to the axial direction in relation to the radial direction, that the circumferential component of the segment gap ( 5 ) escaping sealing air ( 6th ) varies in the axial direction along the segment gap at least in sections according to the circumferential component of the hot gas flow at the respective point in the axial direction along the segment gap.

Bei einigen erfindungsgemäßen Schaufelkränzen handelt es sich insbesondere um einen Lauf- oder Leitkranz.Some of the blade rings according to the invention are, in particular, a running ring or guide ring.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:

1 zeigt ein Schaufelcluster eines Schaufelkranzes einer Strömungsmaschine bestehend aus nebeneinander angeordneten Segmenten deren Spaltgeometrie dem Stand der Technik entspricht und zusätzlich einen entsprechend in 1 gekennzeichneten vergrößerten Ausschnitt der Spaltgeometrie.
2 zeigt in der linken Abbildung die Spaltgeometrie nach dem Stand der Technik und in der rechten Abbildung die Geometrie einer erfindungsgemäßen optimierten Spaltgeometrie eines Schaufelclusters.
3 zeigt eine beispielhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Spaltgeometrie innerhalb eines Schaufelclusters, bei der der Neigungswinkel des Segmentspalts über seinen horizontalen Verlauf variiert. Dabei ist sowohl stellenweise keine Neigung des Segmentspalts möglich, aber auch Neigungswinkel von bis zu ±80°.
4 zeigt eine beispielhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Spaltgeometrie innerhalb eines Schaufelclusters, bei der der Neigungswinkel des Segmentspalts über seinen horizontalen Verlauf variiert. Dabei sind stellenweise auch gegenläufige Neigungen des Segmentspalts im Bereich von +80° bis -80° möglich.
5 zeigt eine beispielhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Spaltgeometrie innerhalb eines Schaufelclusters, bei der der Neigungswinkel des Segmentspalts über seinen horizontalen Verlauf variiert. Dabei ist der Segmentspalt in eine Richtung im Bereich von +80° bis -80° geneigt.

The present invention is explained below by way of example with reference to the accompanying drawings, in which identical reference symbols designate identical or similar components. In the highly schematically simplified figures, the following applies:

1 shows a blade cluster of a blade ring of a turbomachine consisting of segments arranged next to one another, the gap geometry of which corresponds to the prior art and, in addition, a corresponding one in FIG 1 marked enlarged section of the gap geometry.
2 shows in the left figure the gap geometry according to the prior art and in the right figure the geometry of an optimized gap geometry according to the invention of a blade cluster.
3 shows an exemplary application of the gap geometry according to the invention within a blade cluster, in which the angle of inclination of the segment gap varies over its horizontal course. In this case, no inclination of the segment gap is possible in places, but also inclination angles of up to ± 80 °.
4th shows an exemplary application of the gap geometry according to the invention within a blade cluster, in which the angle of inclination of the segment gap varies over its horizontal course. In some places, opposing inclinations of the segment gap in the range of + 80 ° to -80 ° are possible.
5 shows an exemplary application of the gap geometry according to the invention within a blade cluster, in which the angle of inclination of the segment gap varies over its horizontal course. The segment gap is inclined in one direction in the range from + 80 ° to -80 °.

1 zeigt ein als Schaufelcluster eines Schaufelkranzes einer Strömungsmaschine bezeichneten Ausschnitt bestehend aus drei nebeneinander angeordneten Segmenten 1. Das gezeigte Schaufelcluster 100 des Schaufelkranzes entspricht dem gegenwärtigen Stand der Technik, wie es aus dem in 1 zusätzlich vergrößert dargestellten Abschnitt A erkennbar ist. 1 shows a section, referred to as a blade cluster of a blade ring of a turbomachine, consisting of three segments arranged next to one another 1 . The shovel cluster shown 100 of the blade ring corresponds to the current state of the art, as can be seen from the in 1 Section A, which is also shown enlarged, can be seen.

Das Schaufelcluster 100 ist wie gezeigt aus drei identischen, nebeneinander angeordneten Segmenten 1 aufgebaut. Jedes einzelne Segment 1 wird dabei seitlich von einer nabenseitigen Seitenwand 2 und einer außenliegenden Seitenwand 3 abgeschlossen. Zwischen den beiden Seitenwänden 2, 3 weist jedes einzelne Segment 1 wenigstens eine Schaufel 4 auf. Jedes Segment 1 kann auch mehr als eine Schaufel 4 aufweisen (nicht in 1 gezeigt). Zwischen jeweils zwei sich gegenüberliegende Schaufeln 4 bildet der vorhandene Hohlraum einen Strömungskanal 7 aus, der durch die in dem Schaufelcluster 100 festgelegten Form der Schaufeln 4 auf seine Anwendung aerodynamisch optimiert ist. Dem Strömungskanal 7 ist eine, durch den in 1 dargestellten Pfeil, Strömungsrichtung vorgegeben, in der der Heißgasstrom das gesamte Schaufelcluster passiert. Wie die wenigstens eine Schaufel 4 eines Segments 1 ist auch der Strömungskanal 7 in zur Strömung transversaler Richtung durch die nabenseitigen Seitenwand 2 und die außenliegende Seitenwand 3 begrenzt. Zwischen jeweils zwei einzelnen, nebeneinander angeordneten Segmenten 1 weist die gezeigte Segmentanordnung je einen Segmentspalt 5 auf, der quer zum Strömungskanal 7 verläuft. In dem in 1 gezeigten beispielhaften Schaufelcluster 100 des Schaufelkranzes weisen jeweils beide Stoßstellen zwischen zwei Segmenten 1, sowohl auf der nabenseitigen Seitenwand 2 und auf der außenseitigen Seitenwand 3, einen Segmentspalt 5 auf. Bei beispielhaften Schaufelclustern eines Laufrads einer Turbinenstufe weist nur die nabenseitigen Seitenwand 2 einen erfindungsgemäßen Segmentspalt 5 auf (nicht in 1 gezeigt). Bei der Kombination von mehreren Schaufelclustern 100 zu einem Schaufelkranz befindet sich bei einigen erfindungsgemäßen Schaufelclustern 100 zwischen der nabenseitigen Seitenwand eines Schaufelclusters und einer in Umfangsrichtung benachbarten nabenseitigen Seitenwand eines weiteren Schaufelclusters ebenfalls ein Segmentspalt 5. Dasselbe gilt für die außenliegende Seitenwand.The shovel cluster 100 is made up of three identical segments arranged side by side, as shown 1 built up. Every single segment 1 is at the side of a side wall on the hub side 2 and an external side wall 3 completed. Between the two side walls 2 , 3 assigns each individual segment 1 at least a shovel 4th on. Every segment 1 can also have more than one shovel 4th have (not in 1 shown). Between two opposing blades 4th the existing cavity forms a flow channel 7th from that by the in the blade cluster 100 fixed shape of the blades 4th is aerodynamically optimized for its application. The flow channel 7th is one through which in 1 arrow shown, flow direction in which the hot gas flow passes through the entire blade cluster. Like at least one shovel 4th of a segment 1 is also the flow channel 7th in the transverse direction to the flow through the hub-side sidewall 2 and the outer side wall 3 limited. Between two individual segments arranged side by side 1 instructs the shown segment arrangement each one segment gap 5 on, the one across the flow channel 7th runs. In the in 1 exemplary blade cluster shown 100 of the blade ring each have both joints between two segments 1 , both on the side wall on the hub side 2 and on the outside side wall 3 , a segment gap 5 on. In exemplary blade clusters of an impeller of a turbine stage, only the side wall on the hub side faces 2 a segment gap according to the invention 5 on (not in 1 shown). When combining several clusters of blades 100 to a blade ring is located in some blade clusters according to the invention 100 there is likewise a segment gap between the hub-side side wall of a blade cluster and an adjacent hub-side side wall of a further blade cluster in the circumferential direction 5 . The same applies to the external side wall.

Der in 1 vergrößert dargestellte Abschnitt A zeigt die Geometrie des sich zwischen je zwei Segmenten befindlichen Segmentspaltes 5, wie er im Stand der Technik bekannt ist. Um zu vermeiden, dass das über den Strömungskanal 7 durch den Schaufelkranz in eine Richtung geleitete Heißgas zwischen den einzelnen Schaufelsegmenten 1 aus dem Schaufelkranz austritt, wird über die Segmentspalte 5 ein Strom von Sperrluft 6 in das Schaufelcluster geblasen. Die eingeblasene Sperrluft 6 dient dazu, die sich außerhalb des Schaufelkranzes befindlichen Komponenten vor Überhitzung zu schützen. Ein weiterer vorteilhafter Effekt, der durch die Segmentspalte 5 eingeblasenen Sperrluft 6, ist der sich dadurch ergebende Beitrag zur Kühlung der sich innerhalb der Schaufelcluster befindlichen wenigstens einen Schaufel 4 und der Seitenwände 2, 3 des Schaufelclusters. Der normalerweise vorhandene Dichtstreifen (Seal Strip) und die zugehörige Nut sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet.The in 1 Section A, shown enlarged, shows the geometry of the segment gap located between each two segments 5 as is known in the art. To avoid that over the flow channel 7th Hot gas conducted in one direction through the blade ring between the individual blade segments 1 exiting the blade ring is via the segment gap 5 a stream of sealing air 6th blown into the blade cluster. The blown sealing air 6th serves to protect the components located outside the blade ring from overheating. Another beneficial effect created by the segment column 5 blown sealing air 6th , is the resulting contribution to the cooling of the at least one blade located within the blade clusters 4th and the side walls 2 , 3 of the blade cluster. The sealing strip that is normally present and the associated groove are not shown for the sake of simplicity.

2 zeigt den in 1 definierten Abschnitt A, der die Geometrie eines Segmentspaltes 5 durch dessen Querschnittsdarstellung auf der nabenseitigen Seitenwand 2 veranschaulicht. Dabei zeigt 2 die Geometrie eines Segmentspalts 5 in seiner dem Stand der Technik entsprechenden Ausführung (linke Abbildung in 2), sowie den Querschnitt durch einen Segmentspalt 5 in seiner erfindungsgemäßen geometrisch optimierten Ausführung (rechte Abbildung in 2). 2 shows the in 1 defined section A, which has the geometry of a segment gap 5 through its cross-sectional view on the hub-side side wall 2 illustrated. It shows 2 the geometry of a segment gap 5 in its state-of-the-art version (left figure in 2 ), as well as the cross section through a segment gap 5 in its geometrically optimized design according to the invention (right figure in 2 ).

Abschnitt A auf der linken Seite von 2 zeigt, dass der durch den Segmentspalt 5 eingeblasene Strom von Sperrluft 6, senkrecht auf das über den Strömungskanal 7 durch die Triebwerkstufenkomponente geleitete Heißgas trifft. Die durch das Einblasen von Sperrluft 6 erwünschte Kühlwirkung ist unter anderem abhängig vom Impulsverhältnis zwischen Sperrluft 6 und dem durch den Strömungskanal 7 geleiteten Heißgas 7. Da die Sperrluft 6 senkrecht zum Heißgas eingeblasen wird, hat dies bereits bei geringen Impulsverhältnissen zur Folge, dass der durch die Sperrluft 6 erzeugte Kühlfilm ablöst und die Kühlwirkung immer verlustbehafteter wird, bzw. alsbald ganz zusammenbricht.Section A on the left of 2 shows that the one through the segment gap 5 blown stream of sealing air 6th , perpendicular to the one above the flow channel 7th meets hot gas conducted through the engine stage component. That by blowing in sealing air 6th The desired cooling effect depends, among other things, on the pulse ratio between the sealing air 6th and that through the flow channel 7th directed hot gas 7th . Because the sealing air 6th is blown in perpendicular to the hot gas, this has the consequence, even with low pulse ratios, that the air is blocked by the sealing air 6th The cooling film produced is detached and the cooling effect becomes more and more lossy or immediately collapses.

Ausschnitt A auf der rechten Seite von 2 zeigt die optimierte Geometrie eines erfindungsgemäßen Segmentspalts 5 der um einen in einem Schnitt quer zur Axialrichtung gegenüber der Radialrichtung bestimmten Neigungswinkel 8 geneigt ist. Exemplarisch beträgt der Neigungswinkel 8 in dem auf der rechten Seite von 2 gezeigten Abschnitt A, 45°. Der normalerweise vorhandene Dichtstreifen (Seal Strip) und die zugehörige Nut sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet.Section A to the right of 2 shows the optimized geometry of a segment gap according to the invention 5 the angle of inclination relative to the radial direction determined in a section transverse to the axial direction 8th is inclined. The angle of inclination is exemplary 8th in the one to the right of 2 Section A shown, 45 °. The sealing strip that is normally present and the associated groove are not shown for the sake of simplicity.

Die Segmentanordnung der jeweiligen Turbinenstufenkomponente ist durch unterschiedliche Parameter beeinflusst (Schaufelgeometrie, Verlauf des Segmentspaltes 5 innerhalb der Stoß stelle, ...). Der Strömungskanal 7 kann aufgrund der konstruktiven Rahmenbedingungen bei dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsformen einer Segmentanordnung, daher nicht so durch das Schaufelcluster geführt werden, dass der Segmentspalt 5 an jedem Punkt des Kanalverlaufs 7 optimal überströmt wird, d.h. um eine optimale Kühlwirkung durch die eingeblasene Sperrluft 6 zu erreichen. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, den Segmentspalt 5 punktuell über den Verlauf des Strömungskanals um einen von der Lotrichtung des Segmentspalts 5 ausgehenden Neigungswinkel zu Neigen und den Neigungswinkel so zu wählen, dass die über den Segmentspalt 5 in die Triebwerkstufenkomponente eingeblasene Sperrluft 6 eine optimale Kühlwirkung erzeugt, d.h. die Richtung der aus dem Segmentspalt 5 eingeblasene Sperrluft 6 möglichst in Übereinstimmung mit der momentanen Richtung der Heißluft im Strömungskanal 7 zu bringen.The segment arrangement of the respective turbine stage component is influenced by different parameters (blade geometry, course of the segment gap 5 within the joint, ...). The flow channel 7th Due to the structural framework conditions in the case of embodiments of a segment arrangement corresponding to the prior art, it cannot therefore be guided through the blade cluster in such a way that the segment gap 5 at any point along the canal 7th is optimally overflowed, ie by an optimal cooling effect through the blown sealing air 6th to reach. According to the invention, it is therefore proposed that the segment gap 5 punctually over the course of the flow channel around one of the perpendicular direction of the segment gap 5 outgoing inclination angle to incline and to choose the inclination angle so that the over the segment gap 5 Sealing air blown into the engine stage component 6th creates an optimal cooling effect, ie the direction of the segment gap 5 blown sealing air 6th as possible in accordance with the current direction of the hot air in the flow channel 7th bring to.

Die nun folgend gezeigten 3 - 5 zeigen unterschiedliche Anwendung des erfindungsgemäßen Ansatzes bei unterschiedlichen Verläufen des Heißgases im Strömungskanal 7 durch die jeweiligen Schaufelcluster. Dabei wird in jeder der vorgeschlagenen drei Anwendungen der erfindungsgemäße Ansatz verfolgt, dass durch eine Neigung des Segmentspaltes 5 in Strömungsrichtung des Heißgases die Einströmsituation der Sperrluft 6 verbessert wird, womit sich die Ablöseneigung reduziert und so letztendlich die Kühlwirkung verbessert wird.The ones shown below 3 - 5 show different application of the approach according to the invention with different courses of the hot gas in the flow channel 7th by the respective blade clusters. In each of the proposed three applications, the approach according to the invention is pursued, that by an inclination of the segment gap 5 the inflow situation of the sealing air in the flow direction of the hot gas 6th is improved, whereby the tendency to peel is reduced and so ultimately the cooling effect is improved.

3 zeigt eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Schaufelclusters 100, bei der der Neigungswinkel 8 des Segmentspalts 5 über seinen horizontalen Verlauf durch das Schaufelcluster 100 variiert. Dabei ist sowohl stellenweise keine Neigung des Segmentspalts 5 erforderlich, teilweise liegt aber auch Neigungswinkel 5 von bis zu 80° an. Ist der momentane Verlauf des Heißgases innerhalb des Strömungskanals 7 teilweise parallel zum ungeneigten Segmentspalt 5, würde ein zusätzlich eingebrachter Neigungswinkel 8 nur zu einer erhöhten Ablöseneigung in diesen Abschnitten des Strömungskanals 7 führen. In diesem Anwendungsfall geht ein ungeneigter Segmentspaltabschnitt 5 in einen geneigten Segmentspaltabschnitt 5 über. 3 shows an exemplary application of the blade cluster according to the invention 100 at which the angle of inclination 8th of the segment gap 5 over its horizontal course through the blade cluster 100 varies. There is no inclination of the segment gap in places 5 required, but there is also an angle of inclination in some cases 5 of up to 80 °. Is the current course of the hot gas within the flow channel 7th partially parallel to the inclined segment gap 5 , would be an additionally introduced angle of inclination 8th only to an increased tendency to detach in these sections of the flow channel 7th to lead. In this application there is an inclined segment gap section 5 into an inclined segment gap section 5 above.

4 zeigt eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Schaufelclusters 100, bei der der Neigungswinkel 8 des Segmentspalts 5 über seinen horizontalen Verlauf durch das Schaufelcluster 100 variiert. Dabei ist sowohl stellenweise eine Neigung des Segmentspalts 5 in eine Richtung von bis zu +80° erforderlich, teilweise kann aber auch eine Umkehrung der Neigungsrichtung des Neigungswinkels 5 von bis zu -80° erforderlich sein. In diesem Anwendungsfall geht ein stark in eine Richtung geneigter Segmentspaltabschnitt 5 in einen stark in einen in die entgegengesetzte Richtung geneigter Segmentspaltabschnitt 5 über. 4th shows an exemplary application of the blade cluster according to the invention 100 at which the angle of inclination 8th of the segment gap 5 over its horizontal course through the blade cluster 100 varies. There is also an inclination of the segment gap in places 5 in one direction of up to + 80 ° required, but in some cases a reversal of the direction of inclination of the angle of inclination can also be used 5 of up to -80 ° may be required. In this application there is a segment gap section which is strongly inclined in one direction 5 into a segment gap section which is strongly inclined in the opposite direction 5 above.

5 zeigt eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Schaufelclusters 100, bei der der Neigungswinkel 8 des Segmentspalts 5 über seinen horizontalen Verlauf durch das Schaufelcluster 100 variiert. Dabei ist sowohl stellenweise eine Neigung des Segmentspalts 5 in eine Richtung von bis zu +80° erforderlich, teilweise kann aber auch ein kleinerer Neigungswinkel 8 des Segmentspalts 5 erforderlich sein. In dem beispielhaft dargestellten Anwendungsfall hat der Segmentspalt 5 einen konstanten Neigungswinkel entlang seiner Lauflänge. 5 shows an exemplary application of the blade cluster according to the invention 100 at which the angle of inclination 8th of the segment gap 5 over its horizontal course through the blade cluster 100 varies. There is also an inclination of the segment gap in places 5 in one direction of up to + 80 ° is required, but a smaller angle of inclination can also be used in some cases 8th of the segment gap 5 to be required. In the application shown as an example, the segment gap has 5 a constant angle of inclination along its length.

In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind bei der Wahl von Betrag und Richtung der lokalen Neigung des Segmentspaltes 5 mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Dabei ist der Segmentspalt 5 in Strömungsrichtung es Heißgases 7 geneigt, wobei neben der Heißgasströmungsrichtung in der Freiströmung insbesondere wandnahe Strömungsphänomene in der Grenzschicht der Heißgasströmung 7 zu berücksichtigen sind. Der Betrag des Neigungswinkels 8 hängt unter anderem von Betrag und Richtung der lokalen Heißgasströmung 7 und der lokalen Geschwindigkeit der Sperrluft 6 ab. Des Weiteren sind weitere fertigungstechnische Aspekte zu berücksichtigen.In some embodiments according to the invention, the amount and direction of the local inclination of the segment gap are selected 5 several factors to consider. Here is the segment gap 5 in the flow direction of the hot gas 7th inclined, with in addition to the hot gas flow direction in the free flow in particular near-wall flow phenomena in the boundary layer of the hot gas flow 7th are to be taken into account. The amount of the tilt angle 8th depends among other things on the amount and direction of the local hot gas flow 7th and the local speed of the sealing air 6th from. Furthermore, other manufacturing-related aspects must be taken into account.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Segmentsegment
22: nabenseitige Außenwandouter wall on the hub side
33: außenliegende Außenwandexternal wall
44th: Schaufelshovel
55: SegmentspaltSegment gap
66th: SperrluftSealing air
77th: Strömungskanal/HeißgasströmungFlow channel / hot gas flow
88th: NeigungswinkelInclination angle
100100: SchaufelclusterShovel cluster

Claims

Blade cluster (100) of a blade ring, in particular a guide ring or rotor ring, of a turbo-engine, in particular a turbine stage of a gas turbine, the blade cluster segment (1) having a hub-side wall (2) for the hub-side delimitation of a flow channel (7) carrying hot gas flow and a blade ( 4), wherein the blade cluster is designed and intended to form the blade ring with further blade clusters, in which a segment gap (5) is located between the hub-side wall (2) and a circumferentially adjacent hub-side side wall (2) of a further blade cluster, which Segment gap guides sealing air (6) into the flow channel, characterized in that the segment gap (5) is inclined at an angle of inclination (8) relative to the radial direction in a section transverse to the axial direction, at least in the area of the confluence with the hot gas channel.

Blade cluster (100) according to Claim 1 , the angle of inclination (8) being in the range from -80 ° to + 80 °.

Blade cluster (100) Claim 1 or 2 , which includes exactly one, exactly two, exactly three, exactly four, exactly five or more guide or rotor blades.

Blade cluster (100) according to one of the preceding claims, wherein the angle of inclination (8) of the segment gap (5) in a flow channel (7) running from the upstream part of the blade cluster (100) in the direction of the downstream part of the blade cluster (100) is in this way a section transverse to the axial direction varies with respect to the radial direction so that the circumferential component of the sealing air (6) exiting the segment gap (5) varies in the axial direction along the segment gap at least in sections according to the circumferential component of the hot gas flow at the respective point in the axial direction along the segment gap.

Blade ring formed from blade clusters (100) according to one of the preceding claims.

Blade ring after Claim 5 , in which between in the circumferential direction adjacent outer side walls (3) in each case a Segment gap (5) is located, the segment gap (5) is inclined in a section transverse to the axial direction with respect to the radial direction at an angle of inclination (8), the angle of inclination (8) of the segment gap (5) in one of the upstream part of a blade cluster (100 ) of the blade ring in the direction of the downstream part of a blade cluster (100) of the blade ring running flow channel (7), in a section transverse to the axial direction with respect to the radial direction varies such that the circumferential component of the sealing air (6) emerging from the segment gap (5) in the axial direction varies along the segment gap at least in sections according to the circumferential component of the hot gas flow at the respective point in the axial direction along the segment gap.

Blade ring after Claim 5 or 6th , which is a running or guide ring.