DE102014100087A1

DE102014100087A1 - Innenaufbau einer Turbinenlaufschaufel

Info

Publication number: DE102014100087A1
Application number: DE102014100087.0A
Authority: DE
Inventors: Harish Bommanakatte; Anthony Louis Giglio; Jason Douglas Herzlinger; Jalindar Appa Walunj
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-07-10
Also published as: JP2014134201A; US20140193273A1; CH707459A2; US9376922B2

Abstract

Geschaffen ist ein Innenkühlungsaufbau, der innerhalb eines Schaufelblatts einer Laufschaufel einer Gasturbine ausgebildet ist. Zu dem Innenkühlungsaufbau können gehören: ein erster Strömungskanal und ein zweiter Strömungskanal, die über ein Segment hinweg eine Seite-an-Seite-Anordnung aufweisen, und mehrere seitliche Überströmkanäle, die sich zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal erstrecken und diese strömungsmäßig verbinden. Die Überströmkanäle können gestaffelt angeordnet sein.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Einrichtungen und Vorrichtungen, die die Konstruktion und den Betrieb von Laufschaufeln in Gasturbinen betreffen. Im Besonderen, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, betrifft die vorliegende Erfindung Konstruktionen von Kühlkanälen in Turbinenlaufschaufeln.
Wie im Folgenden dargelegt, ist die Erfindung der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf exemplarische Anwendungen in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine beschrieben. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die vorliegende Erfindung auch in anderen Arten von Gasturbinen verwendet werden kann, z.B. in solchen, die in gewerblichen Luftfahrzeugen genutzt werden.
Es ist einsichtig, dass Gasturbinen allgemein Verdichter-, Brennkammer- und Turbinenabschnitte enthalten. Die Verdichter- und Turbinenabschnitte weisen allgemein Reihen von Schaufeln auf, die axial in Stufen gestapelt sind. Jede Stufe enthält eine Reihe um den Umfang beabstandeter Statorschaufeln, die stationär sind und eine Reihe von Laufschaufeln, die um eine zentrale Turbinenachse oder -welle rotieren. Im Betrieb rotieren die Verdichterlaufschaufeln allgemein um die Welle und verdichten in Zusammenwirken mit den Statorschaufeln einen Luftstrom. Die verdichtete zugelieferte Luft wird anschließend in der Brennkammeranordnung genutzt, um zugeführten Brennstoff zu verbrennen. Der anhand dieser Verbrennung sich ergebende Strom heißer, sich ausdehnender Gase, d.h. das Arbeitsfluid, wird auf dem Weg durch den Turbinenabschnitt expandiert. Der durch die Turbine strömende Arbeitsfluidstrom versetzt die Laufschaufeln in Drehung. Die Laufschaufeln sind mit einer zentralen Welle verbunden, so dass die Rotation der Laufschaufeln die Welle drehend antreibt. Auf diese Weise wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt und kann beispielsweise genutzt werden, um die Laufschaufeln des Verdichters drehend anzutreiben, so dass der zur Verbrennung erforderliche Vorrat verdichteter Luft erzeugt wird, und die Spulen eines Generators drehend anzutreiben, um elektrischen Strom zu erzeugen.
Aufgrund der extremen Temperaturen des Heißgaspfades, der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und der Drehgeschwindigkeit des Triebwerks werden Turbinenlaufschaufeln, die, wie beschrieben, allgemein sowohl die rotierenden Laufschaufeln als auch die stationären, um den Umfang beabstandet angeordneten Statorschaufeln beinhalten, im Betrieb äußerst hohen mechanischen und thermischen Belastungen unterworfen.
Aufgrund der ständig steigenden Nachfrage nach Energie ist die Entwicklung effizienterer Gasturbinentriebwerke ein fortwährendes und wichtiges Ziel. Während mehrere Strategien zur Steigerung des Wirkungsgrads von Gasturbinen bekannt sind, bleibt dies eine herausfordernde Aufgabe, da diese Alternativen, die beispielsweise eine Steigerung der Abmessung des Triebwerks, eine Erhöhung der Temperaturen auf dem Heißgaspfad und eine Steigerung der Drehzahlen der Laufschaufeln beinhalten, gewöhnlich dazu führen, dass Komponenten, die bereits hoch beansprucht sind, zusätzlicher Belastung ausgesetzt werden. Infolgedessen besteht ein großer Bedarf nach verbesserten Einrichtungen und Vorrichtungen, die die betriebsbedingten Belastungen von Turbinenlaufschaufeln vermindern.
Wie dem Fachmann klar, basiert eine Strategie zur Verringerung der Wärmebelastung der Laufschaufeln auf aktiver Kühlung während des Betriebs, was den Laufschaufeln gestatten kann, höheren Zündtemperaturen standzuhalten, größeren mechanischen Spannungen bei hohen Betriebstemperaturen zu widerstehen, und/oder ermöglicht, die Lebensdauer der Laufschaufeln zu verlängern, mit dem Gesamtresultat eines kostengünstigen und effizienten Betriebs der Gasturbine. Ein Ansatz zur Kühlung von Laufschaufeln während des Betriebs basiert auf der Nutzung innerer Kühlkanäle oder -kreisläufe. Allgemein beinhaltet dies, einen verhältnismäßig kühlen Anteil verdichteter Luft, der durch den Verdichter der Gasturbine zugeführt sein kann, durch in den Laufschaufeln ausgebildete innere Kühlkanäle zu leiten. Während die verdichtete Luft die Laufschaufel durchströmt, kühlt sie konvektiv die Laufschaufel, was es der Komponente ermöglicht, Zündtemperaturen standzuhalten, die sie andernfalls schädigen würden.
Aus einer Reihe von Gründen versteht es sich, dass bei der Entwicklung und Herstellung der Anordnung dieser Kühlkanäle große Sorgfalt vorauszusetzen ist. Erstens ist die Verwendung von Kühlluft mit Nachteilen verbunden. D.h. Luft, die von dem Verdichter zu dem Turbinenabschnitt des Triebwerks für die Kühlung abgezweigt wird, umgeht die Brennkammeranordnung und verringert somit den Wirkungsgrad des Triebwerks. Dementsprechend sind die Kühlkanäle mit dem Ziel zu konstruieren, die Luft mit hoher Effizienz zu nutzen, d.h. die erforderliche Abdeckungs- und Kühlungseffizienz bereitzustellen, um den Bedarf der Luftmenge für diesen Zweck auf ein Minimum zu reduzieren. Zweitens sollten Kühlkanäle mit Blick auf die Verringerung mechanischer Lasten geeignet gestaltet sein, um unnötiges Gewicht von der Laufschaufel zu entfernen; jedoch müssen die Laufschaufeln noch ausreichende Festigkeit behalten, um den hohen mechanischen Lasten standzuhalten. Kühlkanäle sind daher hinsichtlich einer leichten, jedoch robusten Konstruktion der Turbinenlaufschaufel zu gestalten, während Spannungskonzentrationen, die die Elastizität der Laufschaufeln beeinträchtigen würden, zu vermeiden sind. Kurz gesagt besteht der Bedarf nach einem Turbinenlaufschaufel-Kühlungsaufbau, der sich in strenger gestalteten, dünneren aerodynamischen Laufschaufelkonstruktionen bewährt, eine Verringerung des Gewichts der inneren Konstruktion der Laufschaufel fördert, die strukturelle Tragkraft der Turbinenschaufel aufrecht erhält und einen hohen Kühlungswirkungsgrad aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beschreibt daher einen Innenkühlungsaufbau, der in einem Schaufelblatt einer Laufschaufel einer Gasturbine ausgebildet ist. In einem Beispiel können zu dem Innenkühlungsaufbau gehören: ein erster Strömungskanal und ein zweiter Strömungskanal, die sich radial und parallel in einem Segment zwischen einer inneren Position und einer äußeren Position erstrecken; mehrere seitliche Überströmkanäle, die sich linear zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal erstrecken und diese strömungsmäßig verbinden, wobei die Überströmkanäle in dem Segment in regelmäßigen radialen Intervallen beabstandet angeordnet sind. Die Bezugsebene kann den ersten Strömungskanal und den zweiten Strömungskanal zweiteilen, und die Überströmkanäle können relativ zu der Bezugsebene gestaffelt angeordnet sein.
Die Laufschaufel des oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann eine Turbinenlaufschaufel beinhalten; und die Überströmkanäle können in dem Segment der Seite-an-Seite-Anordnung mit longitudinalen Inkrementierungen beabstandet sein.
Sämtliche Überströmkanäle jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus können an einem Anschlusskanal mit dem ersten Strömungskanal verbunden sein; wobei die Überströmkanäle gestaffelt angeordnet sein können, so dass die Kanäle des ersten Strömungskanals gestaffelt um eine lineare Bezugsachse angeordnet sind, die sich in Längsrichtung auf einer inneren Wand des ersten Strömungskanals erstreckt.
Eine Bezugsebene jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann den ersten Strömungskanal und den zweiten Strömungskanal zweiteilen; wobei die Bezugsebene eine geradlinige Ebene sein kann; und wobei die Überströmkanäle relativ zu der Bezugsebene gestaffelt angeordnet sein können.
Der erste Strömungskanal jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann eine gegenüberliegende innere Wand aufweisen, die dem zweiten Strömungskanal gegenüberliegt, und der zweite Strömungskanal kann eine gegenüberliegende innere Wand aufweisen, die dem ersten Strömungskanal gegenüberliegt; wobei jeder der Überströmkanäle eine lineare Anordnung aufweisen kann; und wobei die Bezugsebene die gegenüberliegende innere Wand sowohl des ersten Strömungskanals als auch des zweiten Strömungskanals zweiteilen kann.
Die Bezugsebene jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann eine gekrümmte Fläche sein, die relativ zu einer innerhalb des Segments veränderlichen Abmessung des Schaufelblatts definiert ist.
Die Bezugsebene jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann relativ zu einer Position wenigstens einer Druckseitenwand und/oder einer Saugseitenwand des Schaufelblatts definiert sein.
Die Bezugsebene jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann eine gekrümmte Fläche sein, die relativ zu einer in dem Segment veränderlichen Abmessung des ersten Strömungskanals und des zweiten Strömungskanals definiert ist.
Die Bezugsebene jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann relativ zu einer Breite der gegenüberliegenden inneren Wand sowohl des ersten Strömungskanals als auch des zweiten Strömungskanals definiert sein.
Die Bezugsebene jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann relativ zu einer Mittellinie der gegenüberliegenden inneren Wand sowohl des ersten Strömungskanals als auch des zweiten Strömungskanals definiert sein.
Das Segment jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann eine Vielzahl von Überströmkanälen aufweisen, die in Längsrichtung in gleichmäßigen Intervallen beabstandet angeordnet sind.
Der erste Strömungskanal jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann in dem Schaufelblatt dazu eingerichtet sein, sich radial zwischen einem ersten Ende, das in der Nähe einer inneren Begrenzung des Schaufelblatts angeordnet ist, und einem zweiten Ende, das in der Nähe einer äußeren Begrenzung des Schaufelblatts angeordnet ist, zu erstrecken; wobei der zweite Strömungskanal in dem Schaufelblatt dazu eingerichtet sein kann, sich zwischen einem ersten Ende, das in der Nähe einer inneren Begrenzung des Schaufelblatts angeordnet ist, und einem zweiten Ende, das in der Nähe einer äußeren Begrenzung des Schaufelblatts angeordnet ist, radial zu erstrecken; und wobei der zweite Strömungskanal mit einem Zufuhrkanal verbunden sein kann, der dazu eingerichtet ist, im Betrieb einen Kühlmittelstrom durch einen Fuß der Laufschaufel aufzunehmen.
Der erste Strömungskanal jedes oben erwähnten Innenkühlungsaufbaus kann in etwa parallel zu dem zweiten Strömungskanal sein, wobei sich beide in einer im Wesentlichen radialen Richtung erstrecken; wobei jeder der Überströmkanäle sowohl zu dem ersten Strömungskanal als auch zu dem zweiten Strömungskanal in etwa senkrecht sein kann; und wobei jeder der Überströmkanäle dazu eingerichtet ist, im Betrieb einen Kühlmittelstrom aufprallen zu lassen.
Der Innenkühlungsaufbau einer beliebigen der oben erwähnten Bauarten kann zudem mindestens zwei Gruppierungen von fünf aufeinanderfolgenden Überströmkanälen aufweisen; wobei der relativ zu der Bezugsebene gestaffelt Aufbau in jeder der beiden Gruppierungen mindestens einen Überströmkanal aufweist, dessen Position gegenüber einer ersten Seite der Bezugsebene entfernt ist.
Der Innenkühlungsaufbau, der relativ zu der Bezugsebene gestaffelt angeordnet ist, kann in jeder der beiden Gruppierungen mindestens einen Überströmkanal aufweisen, dessen Position gegenüber einer zweiten Seite der Bezugsebene entfernt ist.
Der Innenkühlungsaufbau, der relativ zu der Bezugsebene gestaffelt angeordnet ist, kann in jeder der beiden Gruppierungen mindestens einen Überströmkanal aufweisen, der die Bezugsebene schneidet.
Die Überströmkanäle jedes oben erwähnten Kühlungsaufbaus können eine asymmetrische Querschnittsform aufweisen; und der relativ zu der Bezugsebene gestaffelte Aufbau kann in jeder der zwei Gruppierungen mindestens zwei Überströmkanäle aufweisen, deren Orientierung in Umfangsrichtung relativ zu der Bezugsebene unterschiedlich ist.
Ein Innenkühlungsaufbau kann in einem Schaufelblatt einer Laufschaufel einer Gasturbine ausgebildet sein, wobei zu dem Innenkühlungsaufbau gehören können: ein erster Strömungskanal und ein zweiter Strömungskanal, die sich in einem Segment radial und parallel zwischen einer inneren Position und einer äußeren Position erstrecken; und mehrere seitliche Überströmkanäle, die sich linear zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal erstrecken und diese strömungsmäßig verbinden, wobei die Überströmkanäle in dem Segment in regelmäßigen radialen Intervallen beabstandet angeordnet sind; wobei eine Bezugsebene den ersten Strömungskanal und den zweiten Strömungskanal zweiteilt; und wobei die Überströmkanäle relativ zu der Bezugsebene gestaffelt angeordnet sind.
Die Bezugsebene jedes oben erwähnten Kühlungsaufbaus kann eine gekrümmte Fläche sein, die relativ zu einer innerhalb des Segments veränderlichen Abmessung des Schaufelblatts definiert ist; wobei sich die innere Position in der Nähe einer Plattform befindet, und wobei sich die äußere Position in der Nähe einer äußeren Spitze des Schaufelblatts befindet; wobei der zweite Strömungskanal mit einem Zufuhrkanal verbunden sein kann, der dazu eingerichtet ist, im Betrieb einen Kühlmittelstrom durch einen Fuß der Laufschaufel aufzunehmen.
Der erste Strömungskanal jedes oben erwähnten Kühlungsaufbaus kann einen Anströmkantenströmungskanal aufweisen, der in der Nähe einer Anströmkante des Schaufelblatts parallel verläuft; wobei sich die innere Position in der Nähe einer Plattform befindet, und wobei sich die äußere Position in der Nähe einer äußeren Spitze des Schaufelblatts befindet; weiter gehören dazu mindestens zwei Gruppierungen von fünf aufeinanderfolgenden Überströmkanälen; wobei der relativ zu der Bezugsebene gestaffelte Aufbau in jeder der beiden Gruppierungen mindestens einen Überströmkanal, dessen Position gegenüber einer ersten Seite der Bezugsebene entfernt ist, und in jeder der beiden Gruppierungen mindestens einen Überströmkanal beinhalten kann, dessen Position gegenüber einer zweiten Seite der Bezugsebene entfernt ist.
Der erste Strömungskanal jedes oben erwähnten Kühlungsaufbaus kann einen Abströmkantenströmungskanal aufweisen, der in der Nähe einer Abströmkante des Schaufelblatts parallel verläuft; wobei sich die innere Position in der Nähe einer Plattform befindet, und wobei sich die äußere Position in der Nähe einer äußeren Spitze des Schaufelblatts befindet; weiter gehören dazu mindestens zwei Gruppierungen von fünf aufeinanderfolgenden Überströmkanälen; wobei der relativ zu der Bezugsebene gestaffelte Aufbau in jeder der beiden Gruppierungen mindestens einen Überströmkanal, dessen Position zu einer ersten Seite der Bezugsebene hin entfernt ist, und in jeder der beiden Gruppierungen mindestens einen Überströmkanal aufweisen kann, dessen Position gegenüber einer zweiten Seite der Bezugsebene entfernt ist.
Die Bezugsebene jedes oben erwähnten Kühlungsaufbaus kann anhand mehrerer Schaufelblattkrümmungslinien in dem Segment definiert sein.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung erschließen sich nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügten Patentansprüche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden nach sorgfältigem Lesen der folgenden detaillierteren Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher und klarer:
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine exemplarische Gasturbine, in der spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung genutzt werden können;
2 zeigt eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts der Gasturbine nach 1;
3 zeigt eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts der Gasturbine nach 1;
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel von der Bauart, in der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
5 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer Turbinenlaufschaufel, die innere Kühlkanäle aufweist, gemäß einer herkömmlichen Konstruktion;
6 veranschaulicht in einem Schnitt längs der Linie 6-6 nach 5 eine herkömmliche fluchtende Ausrichtung von Überströmkanälen;
7 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht einen Gusskern für eine Turbinenlaufschaufel gemäß einer herkömmlichen Konstruktion;
8 veranschaulicht anhand einer Draufsicht auf einen Abschnitt einer schematischen Schaufelblattkonstruktion eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Querlöchern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 veranschaulicht anhand einer Draufsicht auf einen Abschnitt einer schematischen Schaufelblattkonstruktion eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Querlöchern gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 veranschaulicht anhand einer Draufsicht auf einen Abschnitt einer Turbinenlaufschaufel eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Querlöchern gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 veranschaulicht in einer Schnittansicht, die wie jene von 6 ausgerichtet ist, eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Querlöchern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 veranschaulicht in einer Schnittansicht, die wie jene von 6 ausgerichtet ist, eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Querlöchern gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
13 veranschaulicht in einer Schnittansicht, die wie jene von 6 ausgerichtet ist, eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Querlöchern gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die Erfindung der vorliegenden Anmeldung deutlich abzugrenzen, ist zu Beginn eine Terminologie auszuwählen, die gewisse Teile oder Triebwerkskomponenten in einer Gasturbine bezeichnet und beschreibt. Während die hier unterbreiteten Beispiele, wie erwähnt, hauptsächlich Gasturbinen betreffen, wird dem Fachmann einleuchten, dass die vorliegende Erfindung auf die Laufschaufeln anwendbar ist, die in Verbrennungs- oder Dampfturbinen genutzt werden. Wo immer möglich, wird eine in der Industrie gebräuchliche Terminologie verwendet und in einer Weise eingesetzt, die mit ihrer anerkannten Bedeutung konsistent ist. Allerdings soll einer solchen Terminologie eine breite Bedeutung beigemessen werden, und sie soll nicht in einem engen Sinne aufgefasst werden, der die hier beabsichtigte Bedeutung und den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche unsinnig beschränken würde. Dem Fachmann wird einleuchten, dass eine spezielle Komponente häufig mit mehreren unterschiedlichen Begriffen bezeichnet sein kann. Darüber hinaus können Komponenten, die hier als einzelne Teile beschrieben sind, in einem anderen Zusammenhang mehrere Bauteile beinhalten und aus mehreren Bauteilen aufgebaut sein, oder es können Komponenten, die hier als mehrere Komponenten beinhaltend beschrieben sind, andernorts als eine einzelne Komponente bezeichnet sein. Daher sollte zum Verständnis des Gegenstands der vorliegenden Erfindung nicht nur die Terminologie und die hier unterbreitete Beschreibung beachtet werden, sondern auch die Konstruktion, Anordnung, Funktion und/oder Verwendung der Komponente, insbesondere wie sie in den beigefügten Patentansprüchen vorgesehen ist.
Darüber hinaus können mehrere beschreibende Begriffe hier regulär verwendet werden, und es sollte sich als hilfreich erweisen, diese Begriffe zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Dementsprechend sind diese Begriffe und deren Definitionen, wenn nicht anderslautend festgestellt, wie im Folgenden erläutert zu verstehen. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnen die Begriffe "stromabwärts" und "stromaufwärts" eine Richtung in Bezug auf den Strom eines Fluids, beispielsweise des Arbeitsfluids, das durch das Turbinentriebwerk strömt, oder z.B. des Luftstroms durch die Brennkammer oder des Kühlfluids durch eines der Turbinenkomponentensysteme. So entspricht der Begriff "stromabwärts" der Strömungsrichtung des Fluids, und der Begriff "stromaufwärts" bezieht sich auf die der Strömung entgegengesetzte Richtung. Die Begriffe "vorne" und "hinten" bezeichnen, ohne speziell beschränken zu wollen, Richtungen, wobei "vorne" sich auf das vordere oder Verdichterende des Triebwerks bezieht, und wobei "hinten" sich auf das hintere oder Turbinenende des Triebwerks bezieht. Der Begriff "radial" bezieht sich auf eine Bewegung oder Position, die gegenüber einer Achse senkrecht ist. Häufig sind Teile zu beschreiben, die sich bezüglich einer Mittelachse an unterschiedlichen radialen Positionen befinden. Wenn sich in Fällen dieser Art eine erste Komponente näher an der Achse befindet als eine zweite Komponente, wird im Vorliegenden festgestellt, dass die erste Komponente in Bezug auf die zweite Komponente "radial innen" oder "innenliegend" angeordnet ist. Falls sich die erste Komponente jedoch weiter entfernt von der Achse befindet als die zweite Komponente, kann im Vorliegenden festgestellt werden, dass sich die erste Komponente in Bezug auf die zweite Komponente "radial außen" oder "außenliegend" befindet. Der Begriff "axial" bezeichnet eine zu einer Achse parallele Bewegung oder Position. Zuletzt bezeichnet der Begriff "in Umfangsrichtung" oder "um den Umfang" eine Bewegung oder Position um eine Achse. Man wird verstehen, dass solche Begriffe mit Bezug auf die Mittelachse der Turbine verwendet werden können.
Anhand des Standes der Technik veranschaulichen 1 bis 3 eine exemplarische Gasturbine, in der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung genutzt werden können. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art der Nutzung beschränkt ist. Wie erwähnt, kann die vorliegende Erfindung in Gasturbinen genutzt werden, z.B. in den Triebwerken, die zur Leistungserzeugung und in Flugzeugen verwendet werden, in Dampfturbinen und in anderen Arten von Rotationstriebwerken. Die unterbreiteten Beispiele sollen nicht auf die Bauart der Gasturbine beschränken.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Gasturbine 10. Allgemein arbeiten Gasturbinen, indem einem verdichteten Strom heißen Gases, der durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft erzeugt ist, Energie entzogen wird. Wie in 1 zu sehen, kann die Gasturbine 10 mit einem Axialverdichter 11, der über eine gemeinsame Welle bzw. ein Laufrad mit einem stromabwärts angeordneten Turbinenabschnitt bzw. einer Turbine 13 mechanisch verbunden ist, und einer Brennkammeranordnung 12 konstruiert sein, die zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 13 angeordnet ist.
2 veranschaulicht eine Ansicht eines exemplarischen mehrstufigen Axialverdichters 11, der in der Gasturbine nach 1 genutzt werden kann. Wie gezeigt, kann der Verdichter 11 mehrere Stufen aufweisen. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 enthalten, auf die eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln 15 folgt. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 aufweisen, die um eine zentrale Welle rotieren, gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln 15, die während des Betriebs stationär bleiben.
3 veranschaulicht eine partielle Ansicht eines exemplarischen Turbinenabschnitts bzw. einer Turbine 13, die in der Gasturbine nach 1 genutzt werden kann. Die Turbine 13 kann mehrere Stufen aufweisen. Drei exemplarische Stufen sind veranschaulicht, jedoch können auch mehr oder weniger Stufen in der Turbine 13 vorhanden sein. Zu einer ersten Stufe gehören mehrere Turbinenschaufeln oder Turbinenlaufschaufeln 16, die während des Betriebs um die Welle rotieren, und mehrere Leitapparat- oder Turbinenstatorschaufeln 17, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Turbinenstatorschaufeln 17 sind allgemein rund um den Umfang voneinander beabstandet angeordnet und um die Drehachse befestigt. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können an einem (nicht gezeigten) Turbinenrad angebracht sein, um um die (nicht gezeigte) Welle zu rotieren. Eine zweite Stufe der Turbine 13 ist ebenfalls veranschaulicht. Die zweite Stufe enthält in ähnlicher Weise mehrere in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Turbinenstatorschaufeln 17, auf die mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenlaufschaufeln 16 folgen, die ebenfalls drehfest an einem Turbinenrad angebracht sind. Weiter ist eine dritte Stufe veranschaulicht, die in ähnlicher Weise mehrere Turbinenstatorschaufeln 17 und Laufschaufeln 16 aufweist. Es ist einsichtig, dass sich die Turbinenstatorschaufeln 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 in dem Heißgaspfad der Turbine 13 befinden. Die Strömungsrichtung der heißen Gase durch den Heißgaspfad hindurch ist durch den Pfeil angezeigt. Wie dem Fachmann klar, kann die Turbine 13 mehr, oder in manchen Fällen auch weniger Stufen aufweisen, als in 3 veranschaulicht sind. Jede zusätzliche Stufe kann eine Reihe von Turbinenstatorschaufeln 17 aufweisen, auf die eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln 16 folgt.
In einem Beispiel des Betriebs kann die Rotation der Verdichterlaufschaufeln 14 in dem Axialverdichter 11 einen Luftstrom verdichten. Wenn die verdichtete Luft mit einem Kraftstoff vermischt und gezündet wird, kann in der Brennkammer 12 Energie freigesetzt werden. Der sich ergebende Strom heißer Gase aus der Brennkammer 12, der als das Arbeitsfluid bezeichnet sein kann, wird anschließend über die Turbinenlaufschaufeln 16 gelenkt, wobei der Arbeitsfluidstrom die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 16 um die Welle hervorruft. Dadurch wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in die mechanische Energie der rotierenden Laufschaufeln, und aufgrund der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle, der rotierenden Welle umgewandelt. Die mechanische Energie der Welle kann dann verwendet werden, um die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14 für die Erzeugung des erforderlichen Vorrats verdichteter Luft anzutreiben, und außerdem beispielsweise einen Generator anzutreiben, um Strom zu erzeugen.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel 16 von der Bauart, in der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können. Die Turbinenlaufschaufel 16 weist einen Fuß 21 auf, über den die Laufschaufel 16 an einer Laufradscheibe befestigt ist. Der Fuß 21 kann einen Schwalbenschwanz aufweisen, der gestaltet ist, um in einer entsprechenden in dem Umfang der Laufradscheibe ausgebildeten Schwalbenschwanznut befestigt zu werden. Der Fuß 21 kann außerdem einen Schaft aufweisen, der sich zwischen dem Schwalbenschwanz und einer Plattform 24 erstreckt, die an der Verbindungsstelle des Schaufelblatts 25 und des Fußes 21 angeordnet ist und einen Abschnitt der inneren Begrenzung des durch die Turbine 13 führenden Strömungspfads definiert. Es ist einsichtig, dass das Schaufelblatt 25 das aktive Element der Laufschaufel 16 ist, das den Arbeitsfluidstrom aufnimmt und das Laufrad in Drehung versetzt. Während die Laufschaufel dieses Beispiels eine Turbinenlaufschaufel 16 ist, kann die vorliegende Erfindung selbstverständlich auch auf andere Arten von Schaufeln in der Gasturbine 10 angewendet werden, beispielsweise auf Turbinenstatorschaufeln 17. Es ist ersichtlich, dass das Schaufelblatt 25 der Laufschaufel 16 eine konkave Druckseitenwand 26 und eine in Umfangsrichtung oder seitlich gegenüberliegende konvexe Saugseitenwand 27 aufweist, die sich in axialer Richtung zwischen gegenüberliegenden Anström- bzw. Abströmkanten 28, 29 erstrecken. Die Seitenwände 26 und 27 erstrecken sich außerdem in der Radialrichtung ausgehend von der Plattform 24 zu einer äußeren Spitze 31.
5 bis 7 zeigen unterschiedliche Ansichten innerer Kühlkanäle, die eine Konstruktion herkömmlicher Bauart aufweisen. Diese veranschaulichen exemplarische innere Anordnungen, in denen die vorliegende Erfindung, wie mit Bezug auf 8 bis 13 weiter unten erörtert, genutzt werden kann. Allgemein können die inneren Kühlkanäle einen oder mehrere Zufuhrkanäle 52 aufweisen, die mit mehreren Durchflusskanälen 36 verbunden sind, die in dem Schaufelblatt 25 ausgebildet sind. Der Zufuhrkanal 52 kann durch den Fuß 21 der Laufschaufel 16 hindurch mit einer Kühlfluidquelle verbunden sein und den Durchflusskanälen 36 verdichtetes Kühlfluid zuführen. Wie zu sehen, können einige der Strömungskanäle 36 eine Anzahl von axial gestapelten Kühlschlangen beinhalten. Diese Bauart kann Strömungskanäle 36, die sich nach außen bis zu einer 180-Grad-Kehrtwende erstrecken, die in der Nähe der äußeren Spitze 31 des Schaufelblatts 25 angeordnet ist, und Strömungskanäle 36 beinhalten, die sich nach innen bis zu einer weiteren 180-Grad-Kehrtwende erstrecken, die in der Nähe der Plattform 24 der Laufschaufel 16 angeordnet ist. Wie auch in 5 und 7 gezeigt, kann das Schaufelblatt 25 weitere Strömungskanäle 36 enthalten, die nicht Bestandteile des Serpentinenkreislaufs sind. Beispielsweise wie in 5 gezeigt, erstreckt sich ein Anströmkantenströmungskanal 38 parallel und in der Nähe der Anströmkante 28 des Schaufelblatts 25. Auf der andere Seite wird dieser Strömungskanal 38 von einem Strömungskanal 38 flankiert, der sich mit diesem über eine Distanz oder ein Segment seiner Länge Seite an Seite erstreckt.
Da sich dieses Paar Strömungskanäle 36 in dem Segment in dieser Weise Seite-an-Seite (nebeneinander) erstreckt, kann es über mehrere Überströmkanäle 43 verbunden sein. Wie gezeigt, sind die Überströmkanäle 43 enge Aufpralldurchlasskanäle, die sich zwischen den sich nebeneinander verlaufenden Durchflusskanälen 36 erstrecken und diese verbinden. Die Überströmkanäle 43 sind gewöhnlich in etwa senkrecht zu der Längsachse der Strömungskanäle 36 ausgerichtet, die sie verbinden. Wie zu sehen, können viele Überströmkanäle 43 vorhanden sein. Die Überströmkanäle 36 können linear angeordnet sein und über die Distanz, über die sich die Strömungskanäle 36 Seite an Seite erstrecken, in beabstandeten Intervallen angeordnet sein. Es ist einsichtig, dass die in einem speziellen Entwurf genutzte spezielle Anzahl von Überströmkanälen 43 in Abhängigkeit von der Länge des Seite-an-Seite angeordneten Segments, von den Anforderungen an die Kühlung des Schaufelblatts 25 und von sonstigen maßgebenden Kriterien unterschiedlich sein kann.
6 veranschaulicht in einem Schnitt längs der Linie 6-6 nach 5 eine herkömmliche fluchtende Ausrichtung von Überströmkanälen 43. Wie gezeigt können die Überströmkanäle 43 in einer Bezugsebene 44 fluchten. Diese Bauart einer fluchtende Ausrichtung ergibt Überströmkanäle 43, die linear fluchtend ausgerichtet ist.
7 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht einen Gusskern für eine Turbinenlaufschaufel 14 mit einer inneren Kühlanordnung gemäß einer weiteren herkömmliche Konstruktion. Wie gezeigt, erstreckt sich in diesem Fall der Abströmkantenströmungskanal 39 parallel zu der Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25. Auf der andere Seite erstreckt sich der Abströmkantenströmungskanal 39 Seite an Seite eines weiteren Strömungskanals 36, der von ihm räumlich beabstandet angeordnet ist. Der Abströmkantenströmungskanal 39 kann mit diesem benachbarten Strömungskanal 36 über mehrere ähnlich ausgebildete Überströmkanäle 43 verbunden sein. Wie am deutlichsten in 6 gezeigt, können die Überströmkanäle 43 in einer gemeinsamen Ebene fluchten, was eine lineare fluchtende Ausrichtung ergibt.
Es ist einsichtig, dass Überströmkanäle 43 gewöhnlich vorgesehen sind, um die Kühlungseffizienz von Kühlfluid in gezielten Bereichen des Schaufelblatts 25 zu verbessern. Spezieller ist der enge Strömungsquerschnitt der Überströmkanäle 43, dazu eingerichtet, auf das Kühlmittel, das in die Anströmkanten- oder Abströmkantenströmungskanäle 38, 39 strömt, aufprallen zu lassen, um auf diese Weise die Wärmeübertragungsrate oder den Kühlungswirkungsgrad zu verbessern. Diese Bauart eines Kühlungsaufbaus kann genutzt werden, um Teile des Schaufelblatts 25 anzusprechen, die im Betrieb die extremsten thermischen Belastungen erfahren, beispielsweise Bereiche in der Umgebung der Anströmkante 28 und der Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25.
Wie in 5 bis 7 dargestellt, stapelt die herkömmliche Anordnung der Überströmkanäle 43 diese in regelmäßig beabstandeten radialen Intervallen und ordnet sie in einer gemeinsamen Ebene oder linearen Achse fluchtend an. Während diese herkömmliche fluchtende Ausrichtung gewisse Aspekte des Gießvorgangs bei der Herstellung der Laufschaufeln 16 vereinfacht, hat sich herausgestellt, dass dies die strukturelle Festigkeit des Schaufelblatts 25 aufgrund der Schwächung entlang einer ausgedehnten Achse verringert. Spezieller führt die Ausbildung innerer Hohlräume, beispielsweise der Überströmkanäle 43, zu geschwächten Bereichen in der Schaufelblattstruktur. Bei Belastung im Betrieb reagiert die Schaufelblattstruktur ausgleichend, indem sie Kräfte zu den strukturellen Bereichen verlagert, die die Schwachstelle umgeben, was zu Spannungskonzentrationen führt. Falls Strukturmerkmale einer gemeinsamen Ebene oder linearen Achse folgend fluchtend ausgerichtet sind, wie es bei herkömmlichen Anordnungen von Überströmkanälen 43 der Fall ist, ist die Struktur hinsichtlich der Art und Weise der Verteilung oder Abfuhr von Spannungskonzentrationen eingeschränkt, mit der Folge konzentrierter Lasten, die die Rate beschleunigen, mit der Materialermüdung und Kriechen die Laufschaufel 16 schädigen. Die herkömmliche Anordnung verringert somit die Festigkeit und Belastbarkeit der Laufschaufel 16, was den Verschleiß des Schaufelblatts im Betrieb beschleunigt. Darüber hinaus erhöht die fluchtende Ausrichtung von Schwachstellen und mechanischen Spannungskonzentrationen längs einer gemeinsamen Ebene oder Achse, die einen wesentliche Bereich des Schaufelblatts 25 überstreicht, die Gefahr eines plötzlichen, umfassenden Ausfalls im Inneren der Laufschaufel 16, was einen beträchtlichen Schaden an dem Turbinentriebwerk hervorrufen kann. Es ist einsichtig, dass diese Nachteile einer herkömmlichen Konstruktion die Kosten in Zusammenhang mit dem Betrieb einer Gasturbine 10 allgemein steigern.
Mit Bezug auf die 8 bis 13 werden mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese speziellen Konstruktionen beschränkt ist, und im allgemeinen Rahmen des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche genutzt werden kann. 8 veranschaulicht in einer Draufsicht auf einen Ausschnitt eines schematischen Entwurfs eines Schaufelblatts 25 eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Überströmkanälen 43 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 9 zeigt in einer ähnlichen Ansicht eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Überströmkanälen 43 gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel. Wie in jedem exemplarischen Fall gezeigt, können ein erster Strömungskanal 36 und ein zweiter Strömungskanal 36 sich parallel und voneinander räumlich beabstandet in einem Segment erstrecken, das innerhalb einer inneren und einer äußeren Position definiert ist. Die innere Position kann in der Nähe der Plattform 24 der Laufschaufel 16 sein, und die äußere Position kann sich in der Nähe einer äußeren Spitze 31 des Schaufelblatts 25 befinden. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die vorliegende Erfindung auch in Schaufelblättern 25 genutzt werden kann, die andere Konstruktionen als die hier erörterten aufweisen. Innerhalb dieses Segments können mehrere seitliche Überströmkanäle 43 die Strömungskanäle 36 verbinden. Die Überströmkanäle 43 können sich linear zwischen den Strömungskanälen 36 erstrecken und sie dadurch strömungsmäßig verbinden. Wie zuvor können die Überströmkanäle 43 in dem Segment in regelmäßigen radialen Intervallen beabstandet angeordnet sein, d.h., entlang der Längsachse der Strömungskanäle 36 beabstandet angeordnet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Überströmkanäle 43 gestaffelt angeordnet sein. In speziellen Ausführungsbeispielen können die Überströmkanäle 43 relativ zu einer Bezugsebene 44 oder um diese gestaffelt angeordnet sein. D.h., die Bezugsebene 44 stellt im Grunde einen Bezug bereit, bezüglich dem die Überströmkanäle 43 angeordnet sind, um eine gestaffelte, nicht lineare Anordnung zu erreichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Bezugsebene 44 auf unterschiedlichen Wegen definiert sein.
Es wird als Vorteil erachtet, dass die Bezugsebene 44 die Strömungskanäle 36 zweiteilt. Jeder der Strömungskanäle 36 kann als eine gegenüberliegende innere Wand 46 aufweisend beschrieben sein, die diejenige innere Wand ist, die dem anderen Strömungskanal "gegenüberliegt" oder diesem zugewandt ist. 8 und 9 veranschaulichen in schematischen Darstellungen Strömungskanäle 36 mit unterschiedlichen Querschnittsformen, wobei die gegenüberliegende innere Wand 46 an jedem bezeichnet ist, um Beispiele für die Bedeutung dieses Begriffs zu unterbreiten. In 8, in der die Querschnittsform der Strömungskanäle 36 rechteckig ist, ist die gegenüberliegende innere Wand 46 die Seite des Rechtecks, das dem anderen Strömungskanal gegenüberliegt. In 9, in der die Strömungskanäle 36 eine eher runde Querschnittsform aufweisen, entspricht die gegenüberliegende innere Wand 46 in etwa der Hälfte des Umfangs der Kreisform, die dem anderen Strömungskanal gegenüberliegt, was als die innere Wand 46 bezeichnend beschrieben sein kann, die aus der Perspektive des anderen der nebeneinander angeordneten Strömungskanäle 36 "sichtbar" sein würde. In diesem Sinne kann die Bezugsebene 44 als eine Bezugsebene beschrieben sein, die jeder der inneren gegenüberliegenden Wände 46 zweiteilt.
Die Bezugsebene 44 kann insbesondere relativ zu einer Abmessung der gegenüberliegenden inneren Wand 46 definiert sein. Beispielsweise kann eine sich radial erstreckende Bezugslinie auf jeder der gegenüberliegenden inneren Wände 46 z.B. relativ zu den äußeren Rändern oder zu der Mitte der inneren gegenüberliegenden Wand definiert sein. Dementsprechend kann diese sich radial erstreckende Bezugslinie in einem Fall als eine Mittellinie definiert sein, die die innere gegenüberliegende Wand 46 zweiteilt. oder in einem weiteren Fall eine Bezugslinie sein, die um einen gewissen Abstand von einem der äußeren Ränder der inneren gegenüberliegenden Wand 46 versetzt angeordnet ist. Es ist einsichtig, dass die Bezugsebene 44 in diesem Fall als eine gleichmäßige Ebene definiert sein kann, die sämtliche Bezugslinien enthält, die auf diese Weise an den inneren gegenüberliegenden Wänden 46 gebildet sind. In beiden 8 und 9 ist ersichtlich, dass die Bezugsebene 44 in etwa in der Mitte der gegenüberliegenden inneren Wand 46 jedes der Strömungskanäle 36 angeordnet ist.
Anhand der Querschnittsansicht in 8 und 9 ist nur ein einziger Überströmkanal 43 sichtbar, während zwei weitere, nicht sichtbare Überströmkanäle 43 durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Es ist einsichtig, dass sich diese nicht sichtbaren Überströmkanäle 43 an anderen Orten entlang der Längsachse der nebeneinander angeordneten Strömungskanäle 36 befinden. Darüber hinaus versteht es sich, dass die Bezugsebene 44 in einer solchen Ansicht als eine Gerade dargestellt ist. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung und wie in 8 veranschaulicht, kann die gestaffelte Anordnung Überströmkanäle 43 aufweisen, die sich zu beiden Seiten der Bezugsebene 44 sowie in der Bezugsebene 44 befinden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, und wie in 9 veranschaulicht, weist die gestaffelte Anordnung möglicherweise lediglich Überströmkanäle 43 auf, die zu beiden Seiten der Bezugsebene 44 angeordnet sind. In gewissen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Änderung des Orts des Überströmkanals 43 relativ zu der Bezugsebene als ein sich wiederholendes Muster auftreten, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist.
Die Bezugsebene 44 kann eine geradlinige oder plane Ebene sein. Es ist einsichtig, dass mit der vorgegebenen Gestalt von Schaufelblättern 25 die Bezugsebene 44 auch eine Ebene sein kann, die eine gleichmäßige Krümmung aufweist. In solchen Fällen kann die Bezugsebene 44 relativ zu einer innerhalb des Segments veränderlichen Abmessung des Schaufelblatts 25 oder der Strömungskanäle 36 definiert sein. Wie oben beschrieben, kann die Bezugsebene 44 in Bezug auf eine Dicke oder Mittellinie der Strömungskanäle definiert sein.
Aufgrund der gekrümmten und sich verengenden Gestalt des Schaufelblatts 25 und seiner sich ändernden Querschnittsform können die darin ausgebildeten Strömungskanäle 36 auch gekrümmt und sich verengend gestaltet sein und einen veränderlichen Querschnitt aufweisen. Falls die Bezugsebene 44 anhand der Dicke oder der Mittellinie der nebeneinander verlaufenden Strömungskanäle gebildet wird, kann die Bezugsebene 44 daher eine gekrümmte Fläche sein. Wie erwähnt, kann die Bezugsebene 44 auch relativ zu einer Abmessung des Schaufelblatts 25 definiert sein. Beispielsweise ist die Bezugsebene in speziellen Ausführungsbeispielen relativ zu der Position der Druckseitenwand 26 und/oder der Saugseitenwand 27 definiert.
10 veranschaulicht in einer Draufsicht auf einen Abschnitt eines Blattes 25 einer Turbinenlaufschaufel eine gestaffelte fluchtende Ausrichtung von Überströmkanälen 43 gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall weist das Schaufelblatt 25 ebenfalls Strömungskanäle 36 auf, die sich nebeneinander entlang eines Segments ihrer Länge erstrecken und durch mehrere Überströmkanäle 43 verbunden sind, die um eine Bezugsebene 44 gestaffelt angeordnet sind. Die Überströmkanäle 43 sind bei Anschlusskanälen 49, die in den inneren Wänden ausgebildet sind, mit den Durchflusskanälen 36 verbunden. Man wird verstehen, dass der gestaffelte Aufbau der vorliegenden Erfindung einen Aufbau beinhalten kann, bei dem die Überströmkanäle 43 oder die Anschlusskanäle 49, die sie gebildet haben, linear fluchtend ausgerichtet sind. Es ist einsichtig, dass diese Konstruktion betriebsbedingte Spannungen über einen größeren Bereich verteilt als die lineare fluchtende Ausrichtung einer herkömmlichen Konstruktion, mit dem Ergebnis einer langlebigeren Laufschaufel 16.
Bei näherer Betrachtung von 10 weist das Schaufelblatt 25 zwei exemplarische Paare Strömungskanäle 36 auf, die sich über ein Segment ihrer Länge nebeneinander erstrecken, und die durch gestaffelte Überströmkanäle 43 verbunden sein können. In jedem Fall können sich die Strömungskanäle 36 von einer Position in der Nähe der Verbindungsstelle des Schaufelblatts 25 und des Fußes 21 zu einer Stelle in der Nähe der äußeren Spitze 31 des Schaufelblatts 25 Seite an Seite erstrecken und dazwischen viele radial gestapelte, jedoch gestaffelte Überströmkanäle 43 aufweisen. Man wird verstehen, dass einer der Strömungskanäle 36 mit einem Zufuhrkanal 52 verbunden sein kann, der dazu eingerichtet ist, im Betrieb über einen Fuß 21 der Laufschaufel 16 einen Kühlmittelstrom aufzunehmen. In speziellen Ausführungsbeispielen kann der andere Strömungskanal 36 ein Anströmkantenströmungskanal 38 sein, der ein Kanal ist, der in der Nähe der Anströmkante 28 des Schaufelblatts 25 parallel zu dieser verläuft. In noch einem Ausführungsbeispiel kann der andere Strömungskanal 36 ein Abströmkantenströmungskanal 39 sein, der ein Kanal ist, der in der Nähe der Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25 parallel zu dieser verläuft.
Die Querschnittsansicht von 10 zeigt lediglich einen einzigen der vielen Überströmkanäle 43, die jedes nebeneinander angeordnete Paar Strömungskanäle 36 verbinden. Erfindungsgemäß können die Überströmkanäle 43 eng sein, so dass im Betrieb eine gewünschte Kühlfluidaufprallcharakteristik erreicht wird. Die Überströmkanäle 43 können auch linear angeordnet sein und fluchtend ausgerichtet sein, so dass jeder Kanal zu den Durchflusskanälen 36, mit denen er verbunden ist, im Wesentlichen rechtwinklig ist. Die Überströmkanäle 43 können um eine Bezugsebene 44 gestaffelt angeordnet sein, so dass sie einer gemeinsamen Ebene folgend nicht fluchtend angeordnet sind, wie es bei den Überströmkanälen 43 nach 5 und 6 zu sehen ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Bezugsebene 44 eine Ebene sein, die sich parallel zu den Durchflusskanälen 36 erstreckt und diese zweiteilt, so dass die radial gestapelten Überströmkanäle 43 in dem Segment abwechselnd in mindestens zwei der drei folgenden Positionen angeordnet sein können: (1) auf einer Seite der Bezugsebene 44, wie zwischen den Strömungskanälen 36 gezeigt, die gegen die Anströmkante 28 des Schaufelblatts 25 hin angeordnet sind; (2) auf der anderen Seite der Bezugsebene 44 (in dem Beispiel nach 10 nicht gezeigt); oder (3) auf der Bezugsebene 44, wie zwischen den Strömungskanälen 36 gezeigt, die gegen die Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25 hin angeordnet sind. Wie in 10 dargestellt, kann die Bezugsebene 44 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel relativ zu einer Krümmungslinie 55 des Schaufelblatts 25 gebildet sein. Es ist einsichtig, dass die Krümmungslinie 55 eine Kurve ist, die anhand der Mittelpunkte zwischen der Druckseitenwand 26 und der Saugseitenwand 27 des Schaufelblatts 25 gebildet ist. Es ist klar, dass die Bezugsebene 44 mit Blick darauf gebildet sein kann, dass sie mehrere Krümmungslinien 55 in dem Segment enthält, oder dass sie einen gewünschten Versatz von mehrerer Krümmungslinien 55 in dem Segment aufweist.
10 veranschaulicht nur einen einzigen Überströmkanal 43, der das Paar Strömungskanäle 36 verbindet, die gegen die Anströmkante 28 des Schaufelblatts 25 hin angeordnet sind, sowie einen einzigen Überströmkanal 43, der das Paar Strömungskanäle 36 verbindet, die gegen die Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25 hin angeordnet sind. Es ist einsichtig, dass gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung jedes der Paare von Durchflusskanälen 36 Überströmkanäle 43 aufweist, deren Position relativ zu der Bezugsebene 44 unterschiedlich ist. Beispielsweise kann das Paar Strömungskanäle 36, dass gegen die Anströmkante 28 des Schaufelblatts 25 hin angeordnet ist, Überströmkanäle 43 aufweisen, die auf der anderen Seite der Bezugsebene 44 angeordnet sind. Weiter kann das Paar Strömungskanäle 36, die gegen die Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25 hin angeordnet sind, beispielsweise Überströmkanäle 43 aufweisen, die auf einer oder beiden Seiten der Bezugsebene 44 angeordnet sind.
Wie erwähnt, sind die Überströmkanäle 43 an dem Anschlusskanal 49 mit den Durchflusskanälen 36 verbunden. Ein Weg zur Erzielung der gestaffelten Anordnung der Überströmkanäle 43 basiert darauf, den Überströmkanal 43 so einzurichten, dass die Anschlusskanäle 49 an mindestens einem der Strömungskanäle 36 um eine Bezugsachse gestaffelt angeordnet sind, die darauf definiert ist. In speziellen Ausführungsbeispielen kann diese Bezugsachse linear angeordnet sein und kann auf der gegenüberliegenden inneren Wand 46 eines oder beider Strömungskanäle 36 definiert sein. Die Bezugsachse kann sich in Längsrichtung auf der gegenüberliegenden inneren Wand 46 des Strömungskanals erstrecken. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Bezugsachse beispielsweise relativ zu dem Schaufelblatt 25 oder zu den Durchflusskanälen 36 definiert sein, was beinhalten kann, sie über den Ort zu definieren, an dem eine der oben beschriebenen Bezugsebenen 44 den Strömungskanal 36 schneidet. Darüber hinaus kann die Bezugsachse beliebig definiert sein, solange eine Staffelung der Anschlusskanäle 49 um sie eine nicht lineare fluchtende Ausrichtung ergibt. Die Anordnung der Staffelung der Kanäle 39 um die Bezugsachse kann derjenigen ähneln, die in Zusammenhang mit den Überströmkanälen 43 und der Bezugsebene 44 beschrieben wurde, von der im Folgenden weitere Beispiele mit Bezug auf 11 bis 13 erörtert werden.
Mit Bezug auf 11 bis 13 werden gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere exemplarische Anordnungen von Überströmkanälen 43, die relativ zu einer Bezugsebene 44 gestaffelt angeordnet sind, unterbreitet. Wie unmittelbar vorausgehend erwähnt, können diese gestaffelten Anordnungen auch auf Anschlusskanäle 49 angewendet werden, die um eine lineare Bezugsachse gestaffelt sind. Gemäß speziellen Ausführungsbeispielen kann eine gestaffelte Anordnung eine Anordnung sein, bei der die Überströmkanäle 43 nicht linear fluchtend ausgerichtet sind. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann eine gestaffelte Anordnung, wie in 11 gezeigt, als eine Anordnung gebildet sein, die mindestens einen Überströmkanal 43 aufweist, der auf einer Seite der Bezugsebene 44 angeordnet ist, während die übrigen Überströmkanäle 43 auf der Bezugsebene 44 verbleiben. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann eine gestaffelte Anordnung, wie in 12 gezeigt, als eine Anordnung gebildet sein, die in jeder Gruppierung von fünf aufeinanderfolgenden Überströmkanäle mindestens einen Überströmkanal 43 aufweist, der zu beiden Seiten der Bezugsebene 44 angeordnet ist. Wie auch in 12 gezeigt, kann eine gestaffelte Anordnung auch als eine Anordnung gebildet sein, die in jeder Gruppierung von fünf aufeinanderfolgenden Überströmkanälen mindestens einen Überströmkanal 43, der zu beiden Seiten der Bezugsebene 44 angeordnet ist, und mindestens einen Überströmkanal aufweist, der auf der Bezugsebene 44 angeordnet ist.
In speziellen Ausführungsbeispielen können die Überströmkanäle 43, wie in 13 gezeigt, eine asymmetrische Querschnittsform aufweisen. In solchen Fällen kann eine gestaffelte Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Variieren der Ausrichtung in Umfangsrichtung der asymmetrisch ausgebildeten Überströmkanäle 43 relativ zu der Bezugsebene 44 beinhalten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die asymmetrisch ausgebildeten Überströmkanäle 43 oval gestaltet sein. Wie zu sehen, kann die Orientierung der Hauptachse der ovalen Gestalt gewählt sein, um zu der Bezugsebene 44 abwechselnd parallel oder senkrecht zu verlaufen. Es ist klar, dass die 11 bis 13 gewisse bevorzugte oder exemplarische Anordnungen repräsentieren, und dass andere gestaffelte Anordnungen möglich sind.
Wie dem Fachmann einsichtig, können die vielen unterschiedlichen Merkmale und Konstruktionen, die im Vorausgehenden in Zusammenhang mit den mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben sind, außerdem selektiv verwendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um der Kürze willen und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Fachmanns sind nicht sämtliche möglichen Schritte dargelegt oder im Einzelnen erörtert, obwohl sämtliche Kombinationen und möglichen Ausführungsbeispiele, die von den beigefügten Ansprüchen oder in sonstiger Weise abgedeckt sind, als Teil der vorliegenden Erfindung anzusehen sind. Darüber hinaus werden dem Fachmann anhand der obigen Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen einfallen. Solche Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen im Rahmen des Standes der Technik sollen ebenfalls durch die beigefügten Patentansprüche abgedeckt sein. Weiter sollte verständlich sein, dass sich das Vorausgehende lediglich auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung bezieht, und dass hier zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren äquivalente Bedeutungen definiert ist.
Geschaffen ist ein Innenkühlungsaufbau, der innerhalb eines Schaufelblatts einer Laufschaufel einer Gasturbine ausgebildet ist. Zu dem Innenkühlungsaufbau können gehören: ein erster Strömungskanal und ein zweiter Strömungskanal, die über ein Segment hinweg eine Seite-an-Seite-Anordnung aufweisen, und mehrere seitliche Überströmkanäle, die sich zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal erstrecken und diese strömungsmäßig verbinden. Die Überströmkanäle können gestaffelt angeordnet sein.

Claims

Innenkühlungsaufbau, der innerhalb eines Schaufelblatts einer Laufschaufel einer Gasturbine ausgebildet ist, wobei zu dem Innenkühlungsaufbau gehören: ein erster Strömungskanal und ein zweiter Strömungskanal, die über ein Segment hinweg eine Seite-an-Seite-Anordnung aufweisen; und mehrere seitliche Überströmkanäle, die sich zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal erstrecken und diese strömungsmäßig verbinden, wobei die Überströmkanäle gestaffelt angeordnet sind.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 1, wobei die Laufschaufel eine Turbinenlaufschaufel beinhaltet; und wobei die Überströmkanäle mit longitudinalen Inkrementierungen in dem Segment der Seite-an-Seite-Anordnung beabstandet angeordnet sind.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 2, wobei jeder Überströmkanal an einem Anschlusskanal mit dem ersten Strömungskanal verbunden ist; wobei die Überströmkanäle gestaffelt angeordnet sind, so dass die Kanäle des ersten Strömungskanals um eine lineare Bezugsachse gestaffelt angeordnet sind, die sich in Längsrichtung auf einer inneren Wand des ersten Strömungskanals erstreckt.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 2, wobei eine Bezugsebene den ersten Strömungskanal und den zweiten Strömungskanal zweiteilt; wobei die Bezugsebene eine geradlinige Ebene ist; und wobei die Überströmkanäle relativ zu der Bezugsebene gestaffelt angeordnet sind.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 4, wobei der erste Strömungskanal eine gegenüberliegende innere Wand aufweist, die dem zweiten Strömungskanal gegenüberliegt, und wobei der zweite Strömungskanal eine gegenüberliegende innere Wand aufweist, die dem ersten Strömungskanal gegenüberliegt; wobei jeder der Überströmkanäle eine lineare Anordnung beinhaltet; und wobei die Bezugsebene die gegenüberliegende innere Wand sowohl des ersten Strömungskanals als auch des zweiten Strömungskanals zweiteilt.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 5, wobei die Bezugsebene eine gekrümmte Fläche ist, die relativ zu einer innerhalb des Segments veränderlichen Abmessung des Schaufelblatts definiert ist.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 6, wobei die Bezugsebene relativ zu einer Position wenigstens einer Druckseitenwand und/oder einer Saugseitenwand des Schaufelblatts definiert ist.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 5, wobei die Bezugsebene eine gekrümmte Fläche ist, die relativ zu einer innerhalb des Segments veränderlichen Abmessung des ersten Strömungskanals und des zweiten Strömungskanals definiert ist.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 8, wobei die Bezugsebene relativ zu einer Breite der gegenüberliegenden inneren Wand sowohl des ersten Strömungskanals als auch des zweiten Strömungskanals definiert ist.
Innenkühlungsaufbau nach Anspruch 8, wobei die Bezugsebene relativ zu einer Mittellinie der gegenüberliegenden inneren Wand sowohl des ersten Strömungskanals als auch des zweiten Strömungskanals definiert ist.