CH706777A2 - System mit mindestens einer Turbinenschaufel und Verfahren zum Anordnen eines porösen Einsatzes in einer Ausnehmung einer Turbinenschaufel. - Google Patents

Abstract

Ein System enthält mindestens eine Gasturbinenschaufel (48, 53), die mindestens eine Ausnehmung (58) aufweist, die in einer Oberfläche der wenigstens einen Gasturbinenschaufel (48, 53) ausgebildet ist. Das System enthält ausserdem einen porösen Einsatz (60), der viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den porösen Einsatz (60) zu strömen. Weiter enthält das System eine Abdeckplatte (62), wobei der poröse Einsatz (60) in der wenigstens einen Ausnehmung (58) angeordnet ist, und wobei die Abdeckplatte (62) über dem porösen Einsatz (60) angeordnet ist, um den porösen Einsatz (60) in der wenigstens einen Ausnehmung (58) einzukapseln.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die hier beschriebene Erfindung betrifft Gasturbinen und insbesondere Abdeckplatten für Gasturbinenschaufeln.

[0002] Im Allgemeinen verbrennen Gasturbinen ein Gemisch verdichteter Luft und Brennstoff, um heisse Verbrennungsgase hervorzubringen. Die heissen Verbrennungsgase üben in einer Turbine Kraft auf die Laufschaufeln aus, die eine Welle drehend antreiben, die mit den Lauf schaufeln verbunden ist. Die Rotation der Welle kann Leistung für eine Last und/oder für einen Verdichter erzeugen. Die Turbinenlaufschaufeln sind in der Gasturbinenumgebung hohen Temperaturen ausgesetzt, was zu thermischen Spannungen, Verschleiss und/oder Rissen in den Turbinenlaufschaufeln führen kann. Somit sind die Turbinenlaufschaufeln möglicherweise eine die Lebensdauer beschränkende Komponente des Gasturbinensystems. Insbesondere können spezielle Regionen der Laufschaufeln die Lebensdauer beschränken. Diese die Lebensdauer beschränkenden Regionen können vor dem Grossteil der Laufschaufel verschleissen, was einen kostspieligen Austausch der Laufschaufel sowie Turbinenausfallzeit zur Folge hat.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0003] Im Folgenden sind spezielle Ausführungsbeispiele gemäss dem Gegenstand der ursprünglich vorliegenden Erfindung zusammenfassend beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, vielmehr sollen diese Ausführungsbeispiele lediglich eine Kurzbeschreibung möglicher Ausprägungen der Erfindung geben. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Ausprägungen abdecken, die den nachstehend dargelegten Ausführungsbeispielen ähneln oder sich von diesen unterscheiden können.

[0004] In einem ersten Ausführungsbeispiel gehört zu einem System eine Turbinenlaufschaufel mit einer ersten Ausnehmung, die in einer Oberfläche der Turbinenschaufel ausgebildet ist. Das System enthält zudem einen ersten porösen Einsatz mit einer Anzahl von Poren, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den ersten porösen Einsatz zu strömen, wobei der erste poröse Einsatz in der ersten Ausnehmung angeordnet ist. Eine erste Abdeck-platte ist über dem ersten porösen Einsatz angeordnet, um den ersten porösen Einsatz in der ersten Ausnehmung einzukapseln.

[0005] Gemäss diesem Aspekt können zu dem System gehören: – eine Turbinenlaufschaufel, die eine erste Ausnehmung aufweist, die in einer Oberfläche der Turbinenschaufel ausgebildet ist; – ein erster poröser Einsatz, der viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den ersten porösen Einsatz zu strömen; und – eine erste Abdeckplatte, wobei der erste poröse Einsatz in der ersten Ausnehmung angeordnet ist, und wobei die erste Abdeckplatte über dem ersten porösen Einsatz angeordnet ist, um den ersten porösen Einsatz in der ersten Ausnehmung einzukapseln.

[0006] Die erste Ausnehmung kann in der Nähe einer radialen Spitze der Turbinenschaufel angeordnet sein.

[0007] Die Turbinenschaufel jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Spitzenschiene aufweisen, die an der radialen Spitze der Turbinenschaufel angeordnet ist, und die erste Ausnehmung ist längs eines Abschnitts der Spitzenschiene angeordnet.

[0008] Die erste Ausnehmung jedes der oben erwähnten Systeme kann auf einer Druckseite der Turbinenschaufel angeordnet sein.

[0009] Die erste Ausnehmung jedes der oben erwähnten Systeme kann auf einer Saugseite der Turbinenschaufel angeordnet sein.

[0010] System nach Anspruch 1, wobei die erste Abdeckplatte einen äusseren Rand aufweist, wobei der äussere Rand mit der Turbinenschaufel verbunden ist, ohne den Kühlfluidstrom durch den ersten porösen Einsatz zu hemmen.

[0011] Die erste Abdeckplatte jedes der oben erwähnten Systeme kann mit der Turbinenschaufel durch Hartlöten verbunden sein.

[0012] Ein Zwischenraum zwischen dem äusseren Rand der ersten Abdeckplatte und der Turbinenlaufschaufel jedes der oben erwähnten Systeme kann ein hemmendes Material enthalten, um ein Hartlötmittel daran zu hindern, in die vielen Poren einzutreten und den Kühlfluidstroms durch den ersten porösen Einsatz zu hemmen.

[0013] Das hemmende Material jedes der oben erwähnten Systeme kann auf Bornitrid basieren.

[0014] Der erste poröse Einsatz jedes der oben erwähnten Systeme kann auf Metall basieren.

[0015] Die Turbinenschaufel jedes der oben erwähnten Systeme kann eine zweite Ausnehmung, einen zweiten porösen Einsatz, der in der zweiten Ausnehmung angeordnet ist, und eine zweite Abdeckplatte aufweisen, die über dem zweiten porösen Einsatz angeordnet ist.

[0016] Jedes der oben erwähnten Systeme kann mehrere Turbinenlaufschaufeln enthalten, wobei jede einen entsprechenden porösen Einsatz und eine entsprechende Abdeckplatte aufweist, die den entsprechenden porösen Einsatz in seiner entsprechenden Ausnehmung einkapselt.

[0017] Jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Gasturbine enthalten, die die Turbinenlaufschaufel, den ersten porösen Einsatz und die erste Abdeckplatte aufweist.

[0018] In einem zweitem Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren den Schritt: Anordnen eines porösen Einsatzes in einer Ausnehmung einer Turbinenschaufel, wobei der poröse Einsatz viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den porösen Einsatz zu strömen. Das Verfahren beinhaltet zudem die Schritte: Aufbringen eines hemmenden Materials auf einen äusseren Rand einer Abdeckplatte, Anordnen der Abdeckplatte über dem porösen Einsatz, und Hartlöten der Abdeckplatte an die Turbinenschaufel, um den porösen Einsatz in der Ausnehmung einzukapseln.

[0019] Dementsprechend kann das Verfahren beinhalten: – Anordnen eines porösen Einsatzes in einer Ausnehmung einer Turbinenschaufel, wobei der poröse Einsatz viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den porösen Einsatz zu strömen; – Aufbringen eines hemmenden Materials auf einen äusseren Rand einer Abdeckplatte; – Anordnen der Abdeckplatte über dem porösen Einsatz; und – Hartlöten der Abdeckplatte an die Turbinenschaufel, um den porösen Einsatz in der Ausnehmung einzukapseln.

[0020] Das Verfahren kann den Schritt des Ausbildens der Ausnehmung entlang einer Spitzenschiene beinhalten, die an einer radialen Spitze der Turbinenschaufel angeordnet ist.

[0021] Darüber hinaus oder alternativ kann das Verfahren den Schritt beinhalten, mittels des hemmenden Materials zu verhindern, dass ein Hartlötmittel während des Hartlötens in die mehreren Poren gelangt.

[0022] Das hemmende Material kann auf Bornitrid basieren.

[0023] Der poröse Einsatz kann auf einem Metall basieren.

[0024] In einem dritten Ausführungsbeispiel enthält ein System eine Gasturbine. Die Gasturbine weist mehrere Gasturbinenschaufeln auf. Mindestens zwei der Gasturbinenschaufeln weisen jeweils eine Spitzenschiene, die an einer radialen Spitze angeordnet ist, und eine Ausnehmung auf, die entlang ihrer entsprechenden Spitzenschiene ausgebildet ist. Die Gasturbine enthält ferner einen porösen Einsatz, der in jeder Ausnehmung angeordnet ist, wobei jeder poröse Einsatz viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch jeden porösen Einsatz zu strömen. Weiter weist die Gasturbine ausserdem eine Abdeckplatte auf, die über jeden porösen Einsatz angeordnet ist. Jede Abdeckplatte ist mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel verbunden, um jeden entsprechenden porösen Einsatz in seiner entsprechenden Ausnehmung einzukapseln, und jede Abdeckplatte ist mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel verbunden, ohne den Kühlfluidstrom durch den porösen Einsatz zu hemmen.

[0025] Dementsprechend kann ein System enthalten: – eine Gasturbine, zu der gehören: – mehrere Gasturbinenschaufeln, wobei wenigstens zwei Gasturbinenschaufeln der mehreren Gasturbinenschaufeln jeweils eine Spitzenschiene, die an einer radialen Spitze angeordnet ist, und eine Ausnehmung aufweisen, die entlang ihrer entsprechenden Spitzenschiene angeordnet ist; – ein metallischer poröser Einsatz, der in jeder Ausnehmung angeordnet ist, wobei jeder metallische poröse Einsatz viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch jeden metallischen porösen Einsatz zu strömen; und – eine Abdeckplatte, die über jeden metallischen porösen Einsatz angeordnet ist, wobei jede Abdeckplatte mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel der wenigstens zwei Gasturbinenschaufeln verbunden ist, um jeden entsprechenden metallischen porösen Einsatz in seiner entsprechenden Ausnehmung einzukapseln, und wobei jede Abdeckplatte mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel verbunden ist, ohne den Strom des Kühlfluidstroms durch den metallischen porösen Einsatz zu hemmen.

[0026] Jede Abdeckplatte des Systems kann mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel durch Hartlöten verbunden sein, und ein Zwischenraum zwischen einem äusseren Rand jeder Abdeckplatte und jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel kann Bornitrid enthalten, um ein Hartlötmittel daran zu hindern, in die vielen Poren jedes metallischen porösen Einsatzes einzudringen und den Kühlfluidstroms durch jeden metallischen porösen Einsatz zu hemmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0027] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind: <tb>Fig. 1<SEP>zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Gasturbine mit Abdeckplatten, die an Gasturbinenschaufeln angebracht sind; <tb>Fig. 2<SEP>zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasturbine von Fig. 1 , genommen entlang der Längsachse; <tb>Fig. 3<SEP>zeigt in einer auseinandergezogenen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Spitze der Gasturbinenschaufel von Fig. 2 mit einem porösem Einsatz und einer Abdeckplatte längs der Schnittlinie 3–3 von Fig. 2 ; <tb>Fig. 4<SEP>zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der Spitze der Gasturbinenschaufel von Fig. 3 , die den porösen Einsatz und die Abdeckplatte aufweist; <tb>Fig. 5<SEP>zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der Spitze der Gasturbinenschaufel von Fig. 3 mit mehreren porösen Einsätzen und Abdeckplatten; und <tb>Fig. 6<SEP>zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel der Spitze der Gasturbinenschaufel längs der Schnittlinie 6–6 von Fig. 4 .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0028] Nachfolgend werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte als Vorteil erachtet werden, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z.B. Konformität mit systembezogenen und wirtschaftlichen Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass eine solche Entwicklungsbemühung komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für den Fachmann, der über den Vorteil dieser Beschreibung verfügt, eine Routinemassnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung bedeuten würde.

[0029] Wenn Elemente vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die unbestimmten und bestimmten Artikel «ein» «eine» bzw. «der, die, das» und dergleichen das Vorhandensein von mehr als einem Element ein-schliessen. Die Begriffe «umfassen», «enthalten» und «aufweisen» sind als einschliessend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.

[0030] Die vorliegende Beschreibung betrifft Gasturbinen, die Abdeckplatten enthalten, die über porösen Einsätzen angeordnet sind, die in den Turbinenlaufschaufeln angeordnet sind. Turbinenlaufschaufeln sind Hochtemperaturumgebungen unterworfen, die zu einem Materialversagen der Laufschaufeln führen können. Um eine verbesserte Kühlung zu ermöglichen, kann eine Ausnehmung in der Laufschaufel ausgebildet und anschliessend mit einem porösen Einsatz (z.B. einem Schaum aus Metall oder einer Metalllegierung) gefüllt werden. Beispielsweise kann der poröse Einsatz in der Turbinenschaufelspitzenschiene angeordnet sein, die ein die Lebensdauer beschränkender Bereich der Turbinenschaufel ist. Um den porösen Einsatz vor der Turbinenumgebung zu schützen, kann eine schützende Abdeckplatte (beispielsweise durch Hartlöten o-der Schweissen) über dem porösen Einsatz angebracht sein. Die Aussenflächen der Abdeckplatte können mit den Aussenflachen der Turbinenschaufel fluchten, wodurch die bevorzugten aeromechanischen Eigenschaften der Turbinenschaufel beibehalten werden. Im Gegensatz zu anderen Schutzverfahren (z.B. Wärmedämmschichten) kann die Verwendung der Abdeckplatte darüber hinaus einen Schutz für den porösen Einsatz vorsehen, ohne die Porosität des Einsatzelements zu beeinträchtigen. Über Perforationen in der Abdeckplatte kann die Abdeckplatte einen vollständigen Luftstrom durch den porösen Einsatz ermöglichen. Ein verbesserter Kühlstrom kann den Gesamtwirkungsgrad der Kühlung in den Turbinenlaufschaufeln steigern, so dass dadurch die Betriebslebensdauer der Laufschaufeln verlängert wird. Darüber hinaus können die schützenden Abdeckplatten in Verbindung mit sonstigen Turbinenlaufschaufeln verwendet werden. Es ist klar, das dies Kosten einsparen kann, da Turbinenlaufschaufeln seltener auszutauschen sind, und Gasturbinenausfallzeiten reduziert werden.

[0031] Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein exemplarisches System 10 mit einer Gasturbine 12, die Turbinenlaufschaufeln mit porösen Einsätzen nutzen kann, die durch Abdeckplatten geschützt sind. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das System 10 ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, eine Lokomotive, ein Stromerzeugungssystem oder Kombinationen davon beinhalten. Die veranschaulichte Gasturbine 12 enthält einen Luftansaugabschnitt 16, einen Verdichter 18, einen Brennkammerabschnitt 20, eine Turbine 22 und einen Auslassabschnitt 24. Die Turbine 22 ist über eine Welle 26 mit dem Kompressor 18 verbunden.

[0032] Wie durch die Pfeile angezeigt, kann Luft durch den Ansaugabschnitt 16 in die Gasturbinen 12 eintreten und in den Verdichter 18 strömen, der die Luft vor dem Eintritt in den Brennkammerabschnitt 20 verdichtet. Der veranschaulichte Brennkammerabschnitt 20 enthält ein Brennkammergehäuse 28, das zwischen dem Verdichter 18 und der Turbine 22 konzentrisch oder ringförmig um die Welle 26 angeordnet ist. Die von dem Verdichter stammende verdichtete Luft 18 tritt in die Brennkammeranordnungen 30 ein, wo sich die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischen und in den Brennkammern 30 verbrannt werden kann, um die Turbine 22 anzutreiben.

[0033] Von dem Brennkammerabschnitt 20 strömen die heissen Verbrennungsgase durch die Turbine 22, wobei sie über die Welle 26 den Verdichter 18 antreiben. Beispielsweise können die Verbrennungsgase auf Turbinenlaufschaufeln in der Turbine 22 antreibende Kräfte ausüben, um die Welle 26 in Drehung zu versetzen. Wie nachstehend erläutert, kann die Turbine 22 mehrere Laufschaufeln mit aus Metall/Metalllegierungen hergestellten porösen Einsätzen enthalten, die in den Laufschaufeln unter einer Abdeckplatte angeordnet sind. Nach dem Durchströmen der Turbine 22, können die heissen Verbrennungsgase die Gasturbine 12 durch den Auslassabschnitt 24 verlassen. Für Zwecke der Erörterung kann auf eine Axialrichtung 31, eine Radialrichtung 32 und eine Umfangsrichtung 33 um die Axialrichtung 31 Bezug genommen werden.

[0034] Fig. 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasturbine 12 von Fig. 1 entlang der Längsachse 34. Wie dargestellt, weist die Gasturbine 22 drei Stufen 36 auf. Jede Stufe 36 enthält einen Satz von Laufradschaufeln 38, die mit einem Laufrad 40 verbunden sind, das drehfest an der Welle 26 angebracht sein kann (Fig. 1 ). Die Laufschaufeln 38 erstrecken sich ausgehend von den Laufrädern 40 radial 32 nach aussen und sind teilweise innerhalb des Pfades der heissen Verbrennungsgase angeordnet. Wie weiter unter im Einzelnen erörtert, enthalten die Laufschaufeln 38 ein poröses Einsatzelement, das durch eine schützende Abdeckplatte eingekapselt ist (siehe Fig. 3 ). Obwohl die Gasturbine 22 als eine dreistufige Turbine veranschaulicht ist, können die hier beschriebenen Einsatzelemente und Abdeckplatten in jeder geeigneten Art von Turbine mit einer beliebigen Anzahl von Stufen und Wellen genutzt werden. Beispielsweise können die Einsatzelemente und Abdeckplatten in einer einstufigen Gasturbine, in einem dualen Turbinensystem, das eine Niederdruckturbine und eine Hochdruckturbine enthält, in einer Dampfturbine, oder in einer sonstigen mehrstufigen Turbine verwendet werden. Weiter können die Einsatzelemente und Abdeckplatten in Laufschaufeln sonstiger Turbinenanlagen integriert sein.

[0035] Wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, tritt Luft durch den Luftansaugabschnitt 16 ein und wird durch den Verdichter 18 verdichtet. Die von dem Verdichter stammende verdichtete Luft 18 wird anschliessend in den Brennkammerabschnitt 20 gelenkt, wo die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt wird. Das Gemisch verdichteter Luft und Brennstoff wird allgemein in dem Brennkammerabschnitt 20 verbrannt, um Verbrennungsgase hoher Temperatur und hohen Drucks zu erzeugen, die genutzt werden, um in der Turbine 22 ein Drehmoment zu erzeugen. Speziell üben die Verbrennungsgase auf die Laufschaufeln 38 Antriebskräfte aus, um die Laufräder 40 in Drehung zu versetzen. In speziellen Ausführungsbeispielen können die Laufschaufeln 38 innere Kühlverfahren aufweisen, um thermische Spannungen zu verringern und Materialausfall zu verhindern, der durch die Hochtemperaturverbrennungs-gase herbeigeführt wird. Beispielsweise kann innere Kühlung erzielt werden, indem poröse Einsätze (z.B. metallische poröse Einsätze) in den Laufschaufeln 38 (z.B. den Spitzenschienen der Laufschaufeln 38) platziert werden, um einen Kühlstrom (z.B. einen Luftstrom) durch die gesamten Laufschaufeln 38 zu ermöglichen. Die porösen Einsätze können mit Blick auf die Hitze und die in den Verbrennungsgasen enthaltenden Stoffe empfindlich sein. Folglich kann eine schützende Abdeckplatte über den porösen Einsätzen angeordnet sein, um Verschleiss (z.B. thermischen Ausfall) der porösen Einsätze zu vermeiden.

[0036] Fig. 3 veranschaulicht in einer perspektivischen Explosionszeichnung ein Ausführungsbeispiel einer Spitze 48 der Gasturbinenschaufel 38 von Fig. 2 . Die Laufschaufel 38 enthält eine Spitzenschiene 50, die sich mit einem Abstand 52 von einem Grundkörper 53 der Laufschaufel 38 radial 32 erstreckt. Die Spitzenschiene 50 kann sich um den Umfang der Laufschaufel 38 erstrecken und kann eine Ausnehmung 54 oder einen zurückgesetzten Bereich in der Spitze 48 der Laufschaufel 38 definieren. Die Spitzenschiene 50 und die Ausnehmung 54 können vorteilhafte Kühlungsmerkmale der Laufschaufel 38 sein. Die Laufschaufel 38 kann sonstige Kühlungsmerkmale, z.B. Kühlöffnungen 56 enthalten. Die Kühlöffnungen 56 sind mit (durch gestrichelte Linien repräsentierte) Kühlkanäle 57 verbunden, die sich ausgehend von einem Grundkörper 59 der Spitzenschiene 50 durch den Grundkörper 53 der Laufschaufel 38 zu einer weiteren Öffnung oder einem Einlass erstrecken, der an der Laufschaufel 38 (z.B. in der Radialrichtung 32) angeordnet ist. Die Ausrichtung der Kühlkanäle 57 kann variieren, so können die Kanäle 57 in Bezug auf die vertikale Achse der Laufschaufel 38 beispielsweise senkrecht oder abgewinkelt sein. Zur Vereinfachung sind lediglich ein Paar Kanäle 57 veranschaulicht.

[0037] Wie in Fig. 3 gezeigt, ist in einer Oberfläche 63 der Laufschaufel 38 eine Ausnehmung 58 ausgebildet. Beispielsweise ist die Ausnehmung 58 an der Laufschaufel 38 in der Spitzenschiene 50 ausgebildet. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Ausnehmung 58 ́ an einer anderen Stelle der Laufschaufel 38 neben der Spitzenschiene 50 ausgebildet sein, oder sie kann entlang eines beliebigen Abschnitts der Spitzenschiene 50 ausgebildet sein. In dem Volumen der Ausnehmung 58 kann ein poröser Einsatz 60 angeordnet sein. Der poröse Einsatz 60 kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung, einem für hohe Temperaturen geeigneten Kunststoff, oder einem sonstigen hochtemperaturbeständigen porösen Material hergestellt sein. In einem speziellen Ausführungsbeispiel kann Nickel oder ein sonstiges geeignetes Metall und/oder eine Metalllegierung genutzt werden, um eine poröse Maschenstruktur zu bilden. Bei der Verwendung der porösen Struktur kann die Kühlung in der Laufschaufelspitze 48 verbessert werden, indem Material und geometrische Wärmeübertragungseigenschaften genutzt werden. Der poröse Einsatz 60 kann ausreichend grosse Poren aufweisen, so dass ihn ein Kühlstrom aus den Kühlöffnungen 56 durchströmen kann. Die Struktur des porösen Einsatzes 60 kann jener eines Schwamms ähneln (z.B. ein dreidimensionales Netz von Poren sein). Beispielsweise kann der poröse Einsatz 60 etwa 1 bis 1000, 5 bis 750, oder 10 bis 500 Poren pro Zoll enthalten. Die Verwendung des porösen Einsatzes 60 in der Spitze 48 der Laufschaufel 38 kann die Komponentenlebensdauer der Laufschaufel 38 verlängern, wenn der poröse Einsatz 60 an Lebensdauer beschränkenden Orten angeordnet ist (z.B. an Orten der Schaufel 38, die hohen thermischen Spannungen unterworfen sind). In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, passt der poröse Einsatz 60 vollständig in die Ausnehmung 58 und lässt ausreichend Raum für eine Abdeckplatte 62 übrig, so dass diese mit den Laufschaufelrändern 64 fluchtet.

[0038] Die Abdeckplatte 62 überlappt den porösen Einsatz 60 und kann den porösen Einsatz 60 vor der aggressiven Umgebung in der Turbine 22 schützen. Die Abdeckplatte 62 kann den porösen Einsatz 60 schützen, ohne seine Porosität zu beeinträchtigen, wie es bei einer Wärmedämmschicht der Fall ist. Somit wird die Abdeckplatte 62 die Kühlleistungen des porösen Einsatzes 60 in der Laufschaufelspitze 48 nicht beeinträchtigen. Als solche kann die Abdeckplatte 62 entlang einer Oberfläche 68 mit Perforationen 65 ausgebildet sein, so dass Kühlluft in der Lage ist, durch die Abdeckplatte 62 zu strömen. Die Perforationen 65 können allgemein kleiner, gleich oder grösser bemessen sein als die Poren des porösen Einsatzes 60. Darüber hinaus können Abschnitte der Abdeckplatte 62 entfernt werden, um einen kühlenden Luftstrom durch die Abdeckplatte 62 hindurch zu ermöglichen.

[0039] Um nicht lineare Wärmeübertragung und sonstige Unregelmässigkeiten zwischen der Abdeckplatte 62 und der Schaufel 38 zu vermeiden, kann die Abdeckplatte 62 aus demselben Material wie die Schaufel 38 ausgebildet sein (z.B. aus einer gegossenen Legierung). Dies kann ermöglichen, dass beide Teile in ähnlicher Weise auf die Umgebung ansprechen. Basierend auf Konstruktionsspezifikationen kann die Abdeckplatte 62 in einer Abwandlung aus einem anderen Material als die Laufschaufel 38 ausgebildet sein. Die Abdeckplatte 62 ist so geformt oder konstruiert, dass ihre Aussenflachen mit den Aussenflachen 63 der Laufschaufel 38 fluchten. Auf diese Weise werden die aeromechanischen Eigenschaften der Laufschaufel 38 nicht verändert, und der aerodynamische Wirkungsgrad der Laufschaufel 38 kann mit der Konstruktion der ursprünglichen Schaufel 38 konsistent bleiben. Dies ermöglicht es, den porösen Einsatz 60 und die Abdeckplatte 62 der Schaufel 38 als Komponente eines nachgerüsteten Teils hinzuzufügen. Allerdings können die Laufschaufeln 38 bereits an Ort und Stelle mit einer oder mehreren Ausnehmungen 58 konstruiert sein. Die Abdeckplatte 62 kann durch Giessen, Schweissen, Löten oder durch ein sonstiges Verfahren hergestellt sein.

[0040] Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Spitze 48 der Gasturbinenschaufel 38 in zusammengebautem Zustand. In diesem Ausführungsbeispiel ist der poröse Einsatz 60 in der Spitzenschiene 50 angeordnet und durch die Abdeckplatte 62 in der Ausnehmung 58 geschützt. Die Abdeckplatte 62 kann mittels eines Hartlötverfahrens mit der Schaufel 38 verbunden werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das Hartlötverfahren die Schritte beinhalten: Platzieren des porösen Einsatzes 60 in der Ausnehmung 58 der Spitzenschiene 50, Beschichten der äusseren Ränder 66 der Abdeckplatte 62 mit einem hemmenden Material, Platzieren der Abdeckplatte 62 über dem porösen Einsatz 60 und Hartlöten der Abdeckplatte 62 an die Schaufel 38 unter Verwendung eines Hartlötfüllmaterials. Das hemmende Material kann ein «abweisendes» Material sein (z.B. ein Material, das den Fluss von Hartlötmaterial verhindert), und es kann in Form einer Paste, eines Bands, eines Anstrichs, eines Sprühstrahls, und dergleichen vorliegen. Das hemmende Material kann Bornitrid oder andere chemische Verbindungen beinhalten, die in der Lage sind, das Hartlötfüllmaterial daran zu hindern, die Poren des metallischen porösen Einsatzes 60 während des Hartlötverfahrens zu verlegen. Das Hartlötfüllmaterial kann auf Palladium basieren, so dass es beständig gegen hohe Temperaturen und Korrosion ist und die Porosität des porösen Einsatzes 60 aufrecht erhält.

[0041] Der Hartlotzyklus kann für die Aufrechterhaltung der strukturellen und funktionalen Unversehrtheit des porösen Einsatzes 60 und für die Beibehaltung der aerodynamischen Eigenschaften der Laufschaufel 38 von Vorteil sein. Folglich können verschiedene Aspekte des Hartlötzyklus, beispielsweise das Volumen des benutzten Füllstoffmaterials, die Hartlöttemperatur, und dergleichen, überwacht werden. Weitere Faktoren können ebenso überwacht und gesteuert werden, beispielsweise die Verwendung eines Flussmittels, die Hartlötatmosphärenzusammensetzung und/oder die Fugenabstände/Toleranzen. Darüber hinaus können unterschiedliche Hartlöttechniken genutzt werden, beispielsweise Brennerlöten, Ofenhartlöten, Tauchhartlöten, Infrarothartlöten, Laserhartlöten, sonstige Hartlöttechniken, oder Kombinationen davon. Allerdings können neben Hartlöten auch Schweisstechniken als Verbindungsverfahren genutzt werden. Die Bestimmung des zu verwendenden Hartlot- oder Schweissverfahrens ist in der Regel anwendungsspezifisch.

[0042] Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Ausnehmungen 58, die jeweils mit einem porösen Einsatz 60 (repräsentiert durch gestrichelte Linien) gefüllt und mit einer Abdeckplatte 62 bedeckt sind. Die Spitzenschiene 50 der Laufschaufel 38 kann viele derartige Vorrichtungen aufweisen. Die porösen Einsätze 60 und Abdeckplatten 62 können an einer Saugseite 70 der Laufschaufel 38, an einer Druckseite 72 der Laufschaufel 38, oder an beiden Seiten genutzt werden. Die porösen Einsätze 60 und Abdeckplatten 62 können auch andernorts längs der Spitzenschiene 50 verwendet werden. Die auf der Ausnehmung 58, dem porösen Einsatz 60 und der Abdeckplatte 62 basierende Anordnung kann darüber hinaus an einem anderen Ort der Oberfläche 63 des Grundkörpers 53 der Laufschaufel 38 genutzt werden. Die Anordnungen können auch an mehreren Laufschaufeln 38 in der Turbine 22 und in unterschiedlichen Stufen 36 der Turbine 22 genutzt werden. Die Ausnehmung 58 kann eine beliebige geeignete Geometrie aufweisen, beispielsweise zylindrisch, prismenförmig, oder konisch sein, oder eine andere Geometrie aufweisen. Der poröse Einsatz 60 und die Abdeckplatte 62 können passende Geometrien aufweisen, die diejenige der Ausnehmung 58 ergänzen.

[0043] Fig. 6 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel der Spitze 48 der Gasturbinenschaufel 38 längs der Schnittlinie 6–6 von Fig. 4 . Wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, fluchten die Aussenflachen 68 der Abdeckplatte 62 unmittelbar mit den Aussenflachen 63 der Laufschaufel 38 und der Oberseite 69 der Spitzenschiene 50, wobei sie den porösen Einsatz 60 dicht einkapseln. Diese Anordnung erhält die konstruierten aerodynamischen Eigenschaften der Laufschaufel 38 aufrecht, während der poröse Einsatz 60 vor der aggressiven Umgebung der Turbine 22 geschützt ist. Im Vergleich zur Verwendung von Beschichtungen (z.B. Wärmedämmschichten) kann die Abdeckplatte 62 auch insofern von Vorteil sein, als die Porosität des porösen Einsatzes 60 aufrecht erhalten bleibt. Die Abdeckplatte 62 kann eine beliebige geeignete Geometrie aufweisen, wie sie durch betriebsmässige Zwecke des Systems 10 vorgegeben ist. Ausserdem ist ersichtlich, wie die Kühlöffnung 56 den Kühlstrom durch den Körper der Schaufel 38 in den porösen Einsatz 60 befördert, um die Wärmeübertragung in der Spitze 48 der Laufschaufel 38 zu verbessern. Der aus der Kühlöffnung 56 strömende Kühlstrom kann ungehindert durch den porösen Einsatz 60 strömen und durch die Perforationen 65 in der Abdeckplatte 62 austreten. Diese Konstruktion ermöglicht eine optimale Kühlung, insbesondere in den die Lebensdauer beschränkenden Bereichen der Spitze 48. Ohne die Verwendung des porösen Einsatzes 60 und der Abdeckplatte 62, ist die Nutzungsdauer der Turbinenlaufschaufel 38 möglicherweise verkürzt, was mit kostspieligen und zeitaufwändigen Austauschreparaturen verbunden ist.

[0044] Technische Effekte der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten Adaptionen an eine Turbinenschaufel 38, um eine verbesserte Kühlung zu ermöglichen. Eine Ausnehmung 58 in der Laufschaufel 38 kann mit einem porösen Einsatz 60 gefüllt sein. Beispielsweise kann der poröse Einsatz 60 längs der Spitzenschiene 50 der Turbinenschaufel 38 angeordnet sein, die ein die Lebensdauer beschränkender Bereich (z.B. ein Bereich hoher Wärmebelastung) der Turbinenschaufel 38 ist. Um den porösen Einsatz 60 zu schützen, kann eine Abdeckplatte 62 über dem porösen Einsatz 60 angeordnet sein. Die Abdeckplatte 62 kann geeignet gestaltet sein, um die bevorzugten aeromechanischen Eigenschaften der Turbinenschaufel 38 beizubehalten. Darüber hinaus kann die Verwendung der Abdeckplatte 62 den porösen Einsatz 60 schützen, ohne die Porosität des Einsatzelements 60 zu gefährden, mittels Perforationen 65 in der Abdeckplatte 62 ist die Abdeckplatte 62 in der Lage, einen vollständigen Luftstrom durch den porösen Einsatz 60 zu ermöglichen, was den Gesamtwirkungsgrad der Kühlung der Laufschaufeln 38 verbessern kann, so dass dadurch die Nutzungsdauer der Laufschaufeln 38 gesteigert wird. Hierdurch können sich Kosteneinsparungen ergeben, da Austauschreparaturen der Turbinenlaufschaufel 38 und Ausfallzeiten der Gasturbine 12 seltener auftreten.

[0045] Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich des besten Modus zu beschreiben und um ausserdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die nur unwesentlich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche abweichen.

[0046] Ein System enthält mindestens eine Gasturbinenschaufel, die mindestens eine Ausnehmung aufweist, die in einer Oberfläche der wenigstens einen Gasturbinenschaufel angeordnet ist. Das System enthält ausserdem einen porösen Einsatz, der viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den porösen Einsatz zu strömen. Weiter enthält das System eine Abdeckplatte, wobei der poröse Einsatz in der wenigstens einen Ausnehmung angeordnet ist, und wobei die Abdeckplatte über dem porösen Einsatz angeordnet ist, um den porösen Einsatz in der wenigstens einen Ausnehmung einzukapseln.

Bezugszeichenliste

[0047] <tb>10<SEP>System <tb>12<SEP>Gasturbine <tb>16<SEP>Luftansaugabschnitt <tb>18<SEP>Verdichter <tb>20<SEP>Brennkammerabschnitt <tb>22<SEP>Turbine <tb>24<SEP>Auslassabschnitt <tb>26<SEP>Welle <tb>28<SEP>Brennkammergehäuse <tb>30<SEP>Brennkammeranordnung <tb>31<SEP>Axialrichtung <tb>32<SEP>Radialrichtung <tb>33<SEP>Umfangsrichtung <tb>34<SEP>Längsachse <tb>36<SEP>Stufen <tb>38<SEP>Laufschaufeln <tb>40<SEP>Laufrad <tb>48<SEP>Laufschaufelspitze <tb>50<SEP>Spitzenschiene <tb>52<SEP>Abstand <tb>53<SEP>Grundkörper <tb>54<SEP>Spitzenausnehmung <tb>56<SEP>Kühlöffnungen <tb>57<SEP>Kühlkanäle <tb>58<SEP>Ausnehmung <tb>59<SEP>Spitzenschienenbasis <tb>60<SEP>Poröser Einsatz <tb>62<SEP>Abdeckplatte <tb>63<SEP>Oberfläche <tb>64<SEP>Laufschaufelränder <tb>65<SEP>Perforationen <tb>66<SEP>Äussere Ränder der Abdeckplatte <tb>68<SEP>Oberfläche der Abdeckplatte <tb>69<SEP>Spitzenschienenoberseite <tb>70<SEP>Saugseite <tb>72<SEP>Druckseite

Claims (10)

1. System, zu dem gehören: eine Turbinenlaufschaufel, die eine erste Ausnehmung aufweist, die in einer Oberfläche der Turbinenschaufel ausgebildet ist; ein erster poröser Einsatz, der viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den ersten porösen Einsatz zu strömen; und eine erste Abdeckplatte, wobei der erste poröse Einsatz in der ersten Ausnehmung angeordnet ist, und wobei die erste Abdeckplatte über dem ersten porösen Einsatz angeordnet ist, um den ersten porösen Einsatz in der ersten Ausnehmung einzukapseln.

2. System nach Anspruch 1, wobei die erste Ausnehmung in der Nähe einer radialen Spitze der Turbinenschaufel angeordnet ist.

3. System nach Anspruch 1, wobei die erste Abdeckplatte einen äusseren Rand aufweist, und wobei der äussere Rand mit der Turbinenschaufel verbunden ist, ohne den Kühlfluidstrom durch den ersten porösen Einsatz zu hemmen.

4. System nach Anspruch 1, wobei ein Zwischenraum zwischen dem äusseren Rand der ersten Abdeckplatte und der Turbinenlaufschaufel ein hemmendes Material enthält, um ein Hartlötmittel daran zu hindern, in die vielen Poren einzutreten und den Strom des Kühlfluidstroms durch den ersten porösen Einsatz zu hemmen.

5. System nach Anspruch 1, wobei zu der Turbinenschaufel gehören: eine zweite Ausnehmung, ein zweiter poröser Einsatz, der in der zweiten Ausnehmung angeordnet ist, und eine zweite Abdeckplatte, die über dem zweiten porösen Einsatz angeordnet ist.

6. Verfahren, mit den Schritten: Anordnen eines porösen Einsatzes in einer Ausnehmung einer Turbinenschaufel, wobei der poröse Einsatz viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch den porösen Einsatz zu strömen; Aufbringen eines hemmenden Materials auf einen äusseren Rand einer Abdeckplatte; Anordnen der Abdeckplatte über dem porösen Einsatz; und Hartlöten der Abdeckplatte an der Turbinenschaufel, um den porösen Einsatz in der Ausnehmung einzukapseln.

7. Verfahren nach Anspruch 6, mit dem Schritt des Ausbildens der Ausnehmung entlang einer Spitzenschiene, die an einer radialen Spitze der Turbinenschaufel angeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, mit dem Schritt, mittels des hemmenden Materials zu verhindern, dass ein Hartlötmittel während des Hartlötens in die mehreren Poren gelangt.

9. System, mit: einer Gasturbine, zu der gehören: mehrere Gasturbinenschaufein, wobei wenigstens zwei Gasturbinenschaufeln der mehreren Gasturbinenschaufeln jeweils eine Spitzenschiene, die an einer radialen Spitze angeordnet ist, und eine Ausnehmung aufweisen, die entlang ihrer entsprechenden Spitzenschiene angeordnet ist; ein metallischer poröser Einsatz, der in jeder Ausnehmung angeordnet ist, wobei jeder metallische poröse Einsatz viele Poren aufweist, die es einem Kühlfluid ermöglichen, durch jeden metallischen porösen Einsatz zu strömen; und eine Abdeckplatte, die über jeden metallischen porösen Einsatz angeordnet ist, wobei jede Abdeckplatte mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel der wenigstens zwei Gasturbinenschaufeln verbunden ist, um jeden entsprechenden metallischen porösen Einsatz in seiner entsprechenden Ausnehmung einzukapseln, und wobei jede Abdeckplatte mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel verbunden ist, ohne den Strom des Kühlfluidstroms durch den metallischen porösen Einsatz zu hemmen.

10. System nach Anspruch 19, wobei jede Abdeckplatte mit jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel durch Hartlöten verbunden ist, und wobei ein Zwischenraum zwischen einem äusseren Rand jede Abdeckplatte und jeder entsprechenden Gasturbinenschaufel Bornitrid enthält, um ein Hartlötmittel daran zu hindern, in die vielen Poren jedes metallischen porösen Einsatzes einzudringen und den Strom von Kühlfluid durch jeden metallischen porösen Einsatz zu hemmen.