CH706964A2 - Kühlanordnung für Plattformregion von Turbinenlaufschaufel. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plattformkühlanordnung in einer Turbinenlaufschaufel, die an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt (102) und einer Wurzel eine Plattform (110) hat. Die Plattform (110) weist eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand auf. Die Plattformkühlanordnung umfasst Folgendes: einen im Inneren der Plattform (110) ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft. An einem zweiten Ende weist der Kühlkanal eine Tasche (104) auf. Die Tasche weist, knapp bevor der Kühlkanal die Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts auf.

Description

Allgemeiner Stand der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Turbinen-Verbrennungskraftmaschinen, was, wie hierin verwendet und sofern nicht spezifisch anders angegeben, alle Typen von Turbinen-Verbrennungskraftmaschinen einschliesst, wie z.B. die in der Energieerzeugung und in Flugzeugtriebwerken verwendeten. Spezieller, aber nicht begrenzend, betrifft die vorliegende Patentanmeldung Vorrichtungen, Systeme und/oder Verfahren zum Kühlen der Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln.

[0002] Eine Gasturbinenmaschine beinhaltet im typischen Fall einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine beinhalten im Allgemeinen Reihen von Schaufelblättern oder Schaufeln, die axial in Stufen gestapelt sind. Jede Stufe beinhaltet im typischen Fall eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Leitschaufeln, die feststehend sind, und einen Satz von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Laufschaufeln, die sich um eine zentrale Achse oder Welle drehen. Im Betrieb werden die Laufschaufeln im Verdichter um die Welle gedreht, um einen Luftstrom zu verdichten. Die verdichtete Luft wird dann in der Brennkammer zum Verbrennen von zugeführtem Brennstoff verwendet. Der resultierende Fluss heisser Gase aus dem Verbrennungsprozess dehnt sich durch die Turbine aus, was bewirkt, dass die Laufschaufeln die Welle drehen, an der sie angebracht sind. Auf diese Weise wird die im Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die dann z.B. zum Drehen der Wicklungen eines Generators zum Erzeugen von Elektrizität verwendet werden kann.

[0003] Turbinenlaufschaufeln 100, wobei auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen wird, beinhalten im Allgemeinen ein(en) Schaufelblattteil oder Schaufelblatt 102 und eine(n) Wurzelteil oder Wurzel 104. Das Schaufelblatt 102 kann als eine konvexe Saugseite 105 und eine konkave Druckseite 106 aufweisend beschrieben werden. Das Schaufelblatt 102 kann ferner als eine Vorderkante 107, welche die vordere Kante ist, und eine Hinterkante 108, welche die hintere Kante ist, aufweisend beschrieben werden. Die Wurzel 104 kann als eine Struktur (die, wie gezeigt, gewöhnlich einen Schwalbenschwanz 109 beinhaltet) zum Befestigen der Schaufel 100 an der Rotorwelle, eine Plattform 110, von der sich das Schaufelblatt 102 erstreckt, und einen Schaft 112, der die Struktur zwischen dem Schwalbenschwanz 109 und der Plattform 110 beinhaltet, aufweisend beschrieben werden.

[0004] Wie veranschaulicht, kann die Plattform 110 im Wesentlichen eben sein. Spezieller kann die Plattform 110 eine ebene Oberseite 113 haben, die, wie in Fig. 1 gezeigt, eine axial und sich in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche beinhalten kann. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Plattform 110 eine ebene Unterseite 114 haben, die auch eine axial und sich in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche beinhalten kann. Die Oberseite 113 und die Unterseite 114 der Plattform 110 können so gestaltet sein, dass sie im Wesentlichen jeweils parallel zueinander sind. Wie abgebildet, ist zu erkennen, dass die Plattform 110 gewöhnlich ein dünnes Radialprofil hat, d.h. zwischen der Oberseite 113 und der Unterseite 114 der Plattform 110 besteht ein relativ kurzer radialer Abstand.

[0005] Im Allgemeinen wird die Plattform 110 an Turbinenlaufschaufeln 100 zum Bilden der inneren Strömungsweggrenze des Heissgaspfadabschnitts der Gasturbine eingesetzt. Die Plattform 110 sorgt des Weiteren für bauliche Unterstützung für das Schaufelblatt 102. Im Betrieb induziert die Drehgeschwindigkeit der Turbine eine mechanische Belastung, die hoch beanspruchte Regionen entlang der Plattform 110 entstehen lässt, die in Verbindung mit hohen Temperaturen im Endeffekt die Bildung von Betriebsdefekten verursachen, wie Oxidation, Kriechen, Ermüdungsrissbildung bei niedriger Lastspielzahl und andere. Diese Defekte beeinträchtigen selbstverständlich die Nutzlebensdauer der Laufschaufel 100. Es ist zu erkennen, dass diese ungünstigen Betriebsbedingungen, d.h. Kontakt mit extremen Temperaturen des Heissgaspfads und mit den rotierenden Schaufeln verbundene mechanische Belastung, beträchtliche Herausforderungen für die Auslegung haltbarer, langlebiger Laufschaufelplattformen 110, die sowohl gut funktionieren als auch kostengünstig herzustellen sind, ergeben.

[0006] Eine übliche Lösung zum Erhöhen der Dauerhaftigkeit der Plattformregion 110 ist, sie während des Betriebs mit einem Strom von Druckluft oder einem anderen Kühlmittel zu kühlen, und es sind verschiedene dieses Typs von Plattformauslegungen bekannt. Wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird, wirft die Plattformregion 110 aber gewisse Konstruktionsprobleme auf, die ihre Kühlung auf diese Weise schwierig machen. Dies beruht in bedeutendem Masse insofern auf der schwierigen Geometrie dieser Region, als die Plattform 110, wie beschrieben, ein peripherer Bestandteil ist, der sich vom zentralen Kern der Laufschaufel entfernt befindet, und gewöhnlich so gestaltet ist, dass sie eine strukturell solide, aber dünne radiale Dicke hat.

[0007] Zum Umwälzen des Kühlmittels beinhalten die Laufschaufeln 100 gewöhnlich einen oder mehrere hohle Kühlgänge 116 (siehe Fig. 3 , 4 , 5 und 9 ), die mindestens radial durch den Kern der Schaufel 100, einschliesslich durch die Wurzel 104 und das Schaufelblatt 102, verlaufen. Wie unten noch ausführlicher beschrieben wird, können derartige Kühlgänge 116 zum Erhöhen des Wärmeaustauschs mit einem geschlängelten Pfad gebildet werden, der sich durch die zentralen Regionen der Schaufel 100 windet, obwohl auch andere Konfigurationen möglich sind. Im Betrieb kann ein Kühlmittel über einen oder mehrere Einlasse 117, die im innenliegenden Teil der Wurzel 104 gebildet sind, in die zentralen Kühlgänge eintreten. Das Kühlmittel kann durch die Schaufel 100 zirkulieren und durch am Schaufelblatt gebildete Auslässe (nicht gezeigt) und/oder einen oder mehrere in der Wurzel 104 gebildete Auslässe (nicht gezeigt) austreten. Das Kühlmittel kann unter Druck stehen und zum Beispiel Druckluft, mit Wasser vermischte Druckluft, Dampf und dergleichen beinhalten. In vielen Fällen ist das Kühlmittel Druckluft, die vom Verdichter der Maschine abgeleitet wird, andere Quellen sind aber auch möglich. Wie unten ausführlicher besprochen wird, beinhalten diese Kühlgänge im typischen Fall eine Hochdruckkühlmittelregion und eine Niederdruckkühlmittelregion. Die Hochdruckkühlmittelregion entspricht meist einem stromaufwärts befindlichen Teil des Kühlgangs, der einen höheren Kühlmitteldruck hat, während die Niederdruckkühlmittelregion einem stromabwärts befindlichen Teil entspricht, der einen relativ niedrigeren Kühlmitteldruck hat.

[0008] In einigen Fällen kann das Kühlmittel aus den Kühlgängen 116 in einen Hohlraum 119 geleitet werden, der zwischen den Schäften 112 und Plattformen 110 benachbarter Laufschaufeln 100 gebildet wird. Von dort kann das Kühlmittel zum Kühlen der Plattformregion 110 der Schaufel verwendet werden, wobei eine konventionelle Ausführung davon in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Auslegungstyp zieht im typischen Fall Luft aus einem der Kühlgänge 116 ab und verwendet die Luft, um den zwischen den Schäften 112 und Plattformen 110 gebildeten Hohlraum 119 mit Druck zu beaufschlagen. Sobald er druckbeaufschlagt worden ist, führt dieser Hohlraum 119 dann durch die Plattformen 110 verlaufenden Kühlkanälen Kühlmittel zu. Nachdem sie die Plattform 110 durchströmt hat, kann die Kühlluft durch in der Oberseite 113 der Plattform 110 gebildete Filmkühlungslöcher aus dem Hohlraum ausströmen.

[0009] Es ist aber zu erkennen, dass dieser konventionelle Auslegungstyp mehrere Nachteile hat. Erstens ist der Kühlkreislauf nicht in einem einzelnen Teil in sich geschlossen, da der Kühlkreislauf erst hergestellt wird, wenn zwei benachbarte Laufschaufeln 100 zusammengebaut werden. Dies verleiht den Strömungstests bei der Montage und vor der Montage einen erheblich grösseren Schwierigkeits- und Kompliziertheitsgrad. Ein zweiter Nachteil ist, dass die Vollständigkeit des zwischen benachbarten Laufschaufeln 100 gebildeten Hohlraums 119 davon abhängt, wie gut der Umfang des Hohlraums 119 abgedichtet ist. Eine unzureichende Abdichtung kann zu unzureichender Plattformkühlung und/oder ungenutzter Kühlluft führen. Ein dritter Nachteil ist das damit verbundene Risiko, dass Gase im Heissgaspfad in den Hohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst aufgenommen werden können. Dies kann vorkommen, wenn der Hohlraum 119 während des Betriebs nicht auf einem ausreichend hohen Druck gehalten wird. Wenn der Druck des Hohlraums 119 unter den Druck im Heissgaspfad fällt, werden heisse Gase in den Schafthohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst aufgenommen, wodurch diese Komponenten meist beschädigt werden, da sie nicht dafür ausgelegt sind, Heissgaspfadbedingungen standzuhalten.

[0010] Fig. 4 und 5 stellen einen weiteren Typ einer konventionellen Auslegung für die Plattformkühlung dar. In diesem Fall ist der Kühlkreislauf in der Laufschaufel 100 eingeschlossen und schliesst den Schafthohlraum 119 nicht ein, wie abgebildet. Kühlluft wird aus einem der Kühlgänge 116, die durch den Kern der Schaufel 110 verlaufen, abgezogen und nach hinten durch in der Plattform 110 ausgebildete Kühlkanäle 120 (d.h. «Plattformkühlkanäle 120») geführt. Wie von den mehreren Pfeilen gezeigt wird, strömt die Kühlluft durch die Plattformkühlkanäle 120 und tritt durch Auslässe im hinteren Rand 121 der Plattform 110 oder aus am Saugseitenrand 122 entlang angeordneten Auslässen aus. (Es ist zu beachten, dass beim Beschreiben der bzw. bei Bezugnahme auf die Ränder oder Seiten der rechteckigen Plattform 110 diese jeweils je nach ihrer Lage im Verhältnis zur Saugseite 105 und zur Druckseite 106 des Schaufelblatts 102 und/oder zur Vorwärts- und Rückwärtsrichtung der Maschine bei eingebauter Schaufel 100 beschrieben werden können. Von daher kann, wie der Durchschnittsfachmann erkennt, die Plattform einen hinteren Rand 121, einen Saugseitenrand 122, einen vorderen Rand 124 und einen Druckseitenrand 126 aufweisen, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Ausserdem werden der Saugseitenrand 122 und der Druckseitenrand 126 gewöhnlich auch als «Schlitzseitenwände» bezeichnet und der schmale Hohlraum, der zwischen ihnen gebildet wird, wenn die benachbarten Laufschaufeln 100 eingebaut worden sind, kann als ein «Schlitzseitenwand-Hohlraum» bezeichnet werden.)

[0011] Es ist zu erkennen, dass die konventionellen Auslegungen der Fig. 4 und 5 gegenüber der Auslegung von Fig. 3 insofern einen Vorteil haben, als sie von Variationen der Montage- oder Einbaubedingungen nicht beeinflusst werden. Konventionelle Auslegungen dieser Art haben aber mehrere Begrenzungen oder Nachteile. Erstens ist, wie abgebildet, auf jeder Seite des Schaufelblatts 102 nur ein einzelner Kreislauf bereitgestellt und es besteht daher der Nachteil, dass die Kontrolle über die Menge der an verschiedenen Positionen in der Plattform 110 verwendeten Kühlluft begrenzt ist. Zweitens haben konventionelle Auslegungen dieses Typs einen Abdeckungsbereich, der allgemein begrenzt ist. Der geschlängelte Pfad von Fig. 5 ist zwar gegenüber Fig. 4 eine Verbesserung, was die Abdeckung betrifft, es gibt aber immer noch Totflächen innerhalb der Plattform 110, die ungekühlt bleiben. Drittens steigen zum Erhalten einer besseren Abdeckung mit kompliziert gestalteten Plattformkühlkanälen 120 die Herstellungskosten drastisch an, besonders wenn die Kühlkanäle Formen haben, für deren Herstellung ein Giessverfahren erforderlich ist. Viertens lassen diese konventionellen Auslegungen im typischen Fall nach dem Gebrauch und bevor das Kühlmittel völlig aufgebraucht ist, Kühlmittel in den Heissgaspfad ab, was den Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigt. Fünftens haben konventionelle Auslegungen dieser Art im Allgemeinen wenig Flexibilität. Das heisst, die Gänge 120 sind als integrierte Bestandteile der Plattform 110 ausgebildet und bieten wenig oder keine Möglichkeit zum Ändern ihrer Funktion oder Konfiguration bei variierenden Betriebsbedingungen. Ausserdem sind diese Typen von konventionellen Auslegungen schwierig zu reparieren oder zu überholen.

[0012] Ein weiteres Problem betrifft die Schwierigkeiten um die Kühlung der druckseitigen und saugseitigen Schlitzseitenwände 126, 122. Konventionelle Auslegungen können an den Schlitzseitenwänden 126, 122 befindliche Öffnungen für die Freisetzung von Kühlmittel beinhalten. Die Öffnungen sind zum Freisetzen eines aufprallenden Hochgeschwindigkeits-Kühlmittelstroms gestaltet. Bei diesen konventionellen Methoden fehlt den Öffnungen aber eine durchkonzipierte Austrittsgeometrie, was zu einem steilen thermischen Gradienten um jede der Öffnungen und allgemeiner an den Schlitzseitenwänden der Plattform entlang sowie an der Zieloberfläche des Prallstroms führt. Derartige thermische Gradienten erhöhen die Beeinträchtigung innerhalb dieser Region der Laufschaufel. Infolgedessen hapert es bei konventionellen Plattformkühlungsauslegungen an einem oder mehreren wichtigen Bereichen. Es besteht weiterhin ein Bedarf an verbesserten Vorrichtungen, Systemen und Verfahren, welche die Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln effektiv und effizient kühlen, während sie gleichzeitig kostengünstig, flexibel in der Anwendung und dauerhaft sind.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0013] Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt daher eine Plattformkühlanordnung in einer Turbinenlaufschaufel, die an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel eine Plattform hat. Die Plattform kann eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand beinhalten. Die Plattformkühlanordnung kann Folgendes beinhalten: einen im Inneren der Plattform ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft. An einem zweiten Ende kann der Kühlkanal eine Tasche beinhalten. Die Tasche kann, knapp bevor der Kühlkanal die Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts beinhalten.

[0014] Die Plattformkühlanordnung der Erfindung in einer Turbinenlaufschaufel weist eine Plattform an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel auf, wobei die Plattform eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand aufweist, wobei die Plattformkühlanordnung Folgendes aufweist: einen im Inneren der Plattform ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft, wobei der Kühlkanal an einem zweiten Ende eine Tasche aufweist, wobei die Tasche, knapp bevor der Kühlkanal die druckseitige bzw. saugseitige Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts aufweist.

[0015] Das erste Ende des Kühlkanals der Plattformkühlanordnung kann mit einer an einer Unterseite der Plattform ausgebildeten Öffnung verbunden sein, wobei die Öffnung zur fluidischen Kommunikation mit einer Schafthohlraumkühlungsquelle während des Betriebs gestaltet ist.

[0016] Das erste Ende des Kühlkanals der Plattformkühlanordnung kann mit einem in dem Inneren der Plattform ausgebildeten Zwischenraum verbunden sein, wobei der Zwischenraum einen Strömungsquerschnitt aufweist, der grösser als ein Strömungsquerschnitt des Kühlkanals ist.

[0017] Die Laufschaufel einer oben erwähnten Plattformkühlanordnung kann ferner einen darin ausgebildeten inneren Kühlgang beinhalten, der von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an der Wurzel der Laufschaufel bis auf wenigstens die ungefähre radiale Höhe der Plattform verläuft. Ferner kann sie einen Verbinder aufweisen, der den Zwischenraum mit dem inneren Kühlgang verbindet.

[0018] Die Plattformkühlanordnung des oben erwähnten Typs kann ferner eine Vielzahl von Kühlkanälen aufweisen, wobei jeder der Vielzahl von Kühlkanälen an dem ersten Ende mit dem Zwischenraum verbunden sein kann und wobei jeder der Vielzahl von Kühlkanälen am zweiten Ende die Tasche beinhalten kann, wobei jede der Taschen, knapp bevor der Kühlkanal die druckseitige Schlitzseitenwand bzw. die saugseitige Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts aufweisen kann.

[0019] Die Vielzahl von Taschen der oben erwähnten Plattformkühlanordnung kann an der saugseitigen Schlitzseitenwand entlang angeordnet sein. Die Vielzahl von Taschen kann in regelmässigen Intervallen an der druckseitigen Schlitzseitenwand entlang angeordnet sein. Die Vielzahl von Taschen kann vier bis acht Taschen umfassen. Die Vielzahl von Taschen kann an der druckseitigen Schlitzseitenwand entlang verteilt sein. Jede der Vielzahl von Taschen kann eine konkave Ausnehmung aufweisen, die in der druckseitigen Schlitzseitenwand ausgebildet ist.

[0020] Jede der Vielzahl von Taschen einer oben erwähnten Anordnung kann eine mit der druckseitigen Schlitzseitenwand komplanare Mündung beinhalten, wobei sich jede der Taschen von der Mündung ein kurzes Stück weit in die Plattform hinein erstrecken kann und an einer Innenwand endet, wobei die Innenwand der Mündung gegenüberliegt, wobei jede der Taschen eine Öffnung aufweisen kann, durch welche durch die Kühlkanäle strömendes Kühlmittel in die Tasche eintritt, und wobei die Öffnung an der Innenwand der Tasche angeordnet sein kann.

[0021] Die Mündung jeder der Vielzahl von Taschen kann ein rechteckiges Profil aufweisen.

[0022] Jede der Taschen kann ferner Folgendes aufweisen: eine Tiefe, die eine Umfangsentfernung zwischen der Mündung und der Innenwand definiert, eine Höhe, die eine radiale Höhe der Tasche definiert, eine Breite, die eine axiale Breite der Tasche ist, wobei die Tasche so gestaltet ist, dass die Tiefe das 0,1- und 0,6-fache einer Umfangstiefe der Plattform aufweist, wobei die Höhe der Tasche zwischen dem 0,1- und 0,9-fachen einer radialen Höhe der Plattform beträgt, wobei die Breite der Tasche zwischen dem 0,1- und 0,4-fachen einer axialen Breite der Plattform beträgt und wobei die Öffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der zwischen dem 0,1- und 0,6-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung beträgt.

[0023] Ausserdem oder alternativ kann jede der Taschen Folgendes aufweisen: eine Tiefe, die einen Umfangsabstand zwischen der Mündung und der Innenwand definiert, eine Höhe, die eine radiale Höhe der Tasche definiert, eine Breite, die eine axiale Breite der Tasche ist, wobei die Tasche so gestaltet ist, dass die Tiefe das 0,2- und 0,3-fache einer Umfangstiefe der Plattform aufweist, wobei die Höhe der Tasche zwischen dem 0,4- und 0,8-fachen einer radialen Höhe der Plattform beträgt und wobei die Breite der Tasche zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen einer axialen Breite der Plattform beträgt und wobei die Öffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der zwischen dem 0,2- und 0,4-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung beträgt.

[0024] Die Mündung kann einen grösseren Strömungsquerschnitt aufweisen als die Öffnung und der Kühlkanal.

[0025] Abgesehen davon kann die Plattformkühlanordnung ferner einen Tasche/Tasche-Kanal aufweisen, wobei der Tasche/Tasche-Kanal einen inneren Kanal aufweist, der eine der Vielzahl von Taschen mit einer benachbarten Tasche verbindet.

[0026] Der Tasche/Tasche-Kanal kann parallel zur druckseitigen Schlitzseitenwand angeordnet sein und gestaltet sein, um die Fluidkommunikation zwischen der einen Tasche und der benachbarten Tasche zuzulassen.

[0027] Der Tasche/Tasche-Kanal kann einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der kleiner als der Strömungsquerschnitt der Mündung von jeder der einen Tasche und der benachbarten Tasche ist.

[0028] Die Plattformkühlanordnung kann ferner einen Tasche/Oberseite-Kanal aufweisen, wobei der Tasche/Oberseite-Kanal einen inneren Kanal aufweist, der eine der Vielzahl von Taschen mit einer Oberseite der Plattform verbindet.

[0029] Der Tasche/Oberseite-Kanal der Plattformkühlanordnung kann gestaltet sein, um die Fluidkommunikation zwischen einer Öffnung, die sich an einer aussenliegenden Innenfläche der Tasche befindet, und einer an der Oberseite der Plattform ausgebildeten Oberseitenöffnung zuzulassen.

[0030] Der Tasche/Oberseite-Kanal kann einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der kleiner als der Strömungsquerschnitt der Mündung der Tasche ist, und der Tasche/Oberseite-Kanal kann in einer Stromabwärtsrichtung abgeschrägt sein. Bei der Plattformkühlanordnung kann der Zwischenraum einen hohlen Durchgang umfassen, wobei der Zwischenraum von einer inneren Position zu einer Position nahe der druckseitigen Schlitzseitenwand oder der saugseitigen Schlitzseitenwand verläuft, wobei der Zwischenraum einen Zwischenraumauslass beinhaltet, der mit einer weiteren Tasche verbunden ist, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand bzw. der saugseitigen Schlitzseitenwand ausgebildet ist, und wobei der Zwischenraumauslass einen Strömungsquerschnitt aufweist, der kleiner als der Strömungsquerschnitt des Zwischenraums ist.

[0031] Der Strömungsquerschnitt des Zwischenraumauslasses kann so gestaltet sein, dass eine gewünschte Dosierungscharakteristik erreicht wird.

[0032] Die Plattformkühlanordnung kann ferner einen nicht einstückig ausgebildeten Stopfen aufweisen, der zwischen dem Zwischenraum und der Tasche positioniert ist, wobei der nicht einstückig ausgebildete Stopfen zum Verringern des Strömungsquerschnitts des Zwischenraums gestaltet ist, um so den Zwischenraumauslass zu bilden.

[0033] Der Zwischenraum kann eine Versorgungskammer umfassen, von der die Vielzahl von Kühlkanälen abzweigt, und jeder der Vielzahl von Kühlkanälen kann einen linearen Durchgang aufweisen, der zwischen dem Zwischenraum und einer der Taschen verläuft.

[0034] Die Plattformkühlanordnung kann ferner eine Vielzahl von Zwischenräumen aufweisen, die jeweils eine Vielzahl von davon abzweigenden Kühlkanälen beinhalten.

[0035] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei der Prüfung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wenn in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen betrachtet, offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0036] Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden beim sorgfältigen Studium der folgenden ausführlicheren Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen umfassender verstanden und erfasst werden, wobei: <tb>Fig. 1<SEP>eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, <tb>Fig. 2<SEP>eine Unterseitenansicht einer Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, <tb>Fig. 3<SEP>eine Schnittansicht benachbarter Turbinenlaufschaufeln veranschaulicht, die ein Kühlsystem gemäss einer konventionellen Auslegung haben, <tb>Fig. 4<SEP>eine Draufsicht einer Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen gemäss einer konventionellen Auslegung hat, <tb>Fig. 5<SEP>eine Draufsicht einer Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen gemäss einer alternativen konventionellen Auslegung hat, <tb>Fig. 6<SEP>eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel mit einer Plattformkühlungskonfiguration gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, <tb>Fig. 7<SEP>eine teilweise im Querschnitt dargestellte Draufsicht einer Plattform einer Turbinenlaufschaufel mit einer Plattformkühlungskonfiguration gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, <tb>Fig. 8<SEP>eine Frontansicht aus dem Blickwinkel entlang 8–8 von Fig. 7 veranschaulicht, <tb>Fig. 9<SEP>eine Querschnittansicht entlang 9–9 von Fig. 7 veranschaulicht, <tb>Fig. 10<SEP>eine Seitenansicht einer Plattformkühlungskonfiguration gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, <tb>Fig. 11<SEP>eine Seitenansicht einer Plattformkühlungskonfiguration gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht und <tb>Fig. 12<SEP>eine teilweise im Querschnitt dargestellte Draufsicht einer Turbinenlaufschaufel mit einer Plattformkühlungskonfiguration gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0037] Wie oben beschrieben, sind verschiedene konventionelle Auslegungen innerer Kühlgänge 116 zum Kühlen gewisser Regionen in einer Laufschaufel 100 wirksam. Die Plattformregion erweist sich aber als problematischer, wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird. Dies beruht zumindest zum Teil auf der schwierigen Geometrie der Plattformregion – d.h. ihre schmale radiale Höhe und die Art und Weise, wie sie vom Kern oder Hauptkörper der Laufschaufel 100 absteht. Angesichts ihres Kontakts mit den extremen Temperaturen des Heissgaspfads und der hohen mechanischen Beanspruchung sind die Kühlungsanforderungen der Plattform 110 aber beträchtlich. Wie oben beschrieben, sind konventionelle Plattformkühlungskonfigurationen unwirksam, weil sie nicht auf die besonderen Herausforderungen der Region eingehen, weil ihre Kühlmittelnutzung nicht effizient ist und/oder weil ihre Herstellung kostspielig ist.

[0038] Zur Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung können mehrere spezielle beschreibende Begriffe verwendet werden. Die Bedeutung dieser Begriffe schliesst die folgenden Definitionen ein. Die Begriffe «stromabwärts» und «stromaufwärts» sind Begriffe, die eine Richtung in Bezug auf die Strömung von Arbeitsfluid durch die Turbine beziehungsweise von Kühlmittel durch einen Kühlgang andeuten. Dementsprechend bedeutet der Begriff «stromabwärts» die Strömungsrichtung und der Begriff «stromaufwärts» bedeutet in der der Strömung entgegengesetzten Richtung. Der Begriff «radial» bezieht sich auf eine zu einer Achse lotrechte Bewegung oder Position. Oft müssen Teile beschrieben werden, die. sich an unterschiedlichen radialen Positionen in Bezug auf diese Achse befinden. In diesen Fällen kann, wenn ein erstes Bauteil näher an der Achse liegt als ein zweites Bauteil, hierin angegeben werden, dass das erste Bauteil «innenliegend» oder «radial einwärts» vom zweiten Bauteil ist. Wenn das erste Bauteil dagegen weiter von der Achse entfernt ist als das zweite Bauteil, kann hierin angegeben werden, dass das erste Bauteil «aussenliegend» oder «radial auswärts» vom zweiten Bauteil ist. Der Begriff «axial» bezieht sich auf eine zu einer Achse parallele Bewegung oder Position. Und der Begriff «Umfangs-» bezieht sich auf eine Bewegung oder Position um eine Achse. Sofern nicht anders angegeben, werden die Begriffe «radial», «axial» oder «Umfangs-», wenn sie verwendet werden, in Bezug auf die zentrale Achse der Turbinenmaschine verwendet.

[0039] Es versteht sich, dass Turbinenschaufeln, die über die Zirkulation eines Kühlmittels in ihrem Inneren gekühlt werden, im typischen Fall einen inneren Kühlgang 116 beinhalten, der von der Wurzel radial auswärts durch die Plattformregion und in das Schaufelblatt verläuft, wie oben in Bezug auf mehrere konventionelle Kühlungsauslegungen beschrieben. Es versteht sich, dass gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit konventionellen Kühlmittelgängen verwendet werden können, um die effiziente aktive Plattformkühlung zu fördern oder zu ermöglichen, und die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit einer beispielhaften üblichen Auslegung besprochen: einem inneren Kühlgang 116 mit einer gewundenen oder geschlängelten Konfiguration. Wie in den Fig. 5 und 7 abgebildet, ist der geschlängelte Pfad im typischen Fall so konfiguriert, dass er einen Kühlmittelstrom in nur einer Richtung zulässt, und beinhaltet Merkmale, die den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der umgebenden Laufschaufel 100 fördern. Im Betrieb wird ein unter Druck stehendes Kühlmittel, das gewöhnlich dem Verdichter entnommene Druckluft ist (obwohl auch andere Kühlmitteltypen, wie z.B. Dampf, mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können), dem inneren Kühlgang 116 durch eine durch die Wurzel 104 gebildete Verbindung zugeführt. Der Druck treibt das Kühlmittel durch den inneren Kühlgang 116 und das Kühlmittel nimmt durch Konvektion Wärme aus den umgebenden Wänden auf. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in Laufschaufeln 100 verwendet werden kann, die innere Kühlgänge mit verschiedenen Konfigurationen haben, und nicht auf innere Kühlgänge begrenzt ist, die eine geschlängelte Form haben. Dementsprechend soll der Begriff «innerer Kühlgang» oder «Kühlgang», wie hierin verwendet, jeden beliebigen Durchgang oder hohlen Kanal einschliessen, durch den Kühlmittel in der Laufschaufel zirkulieren kann. Wie hierin vorgesehen, verläuft der beispielhafte innere Kühlgang 116 der vorliegenden Erfindung wenigstens bis auf die ungefähre radiale Höhe der Plattform 116. Es ist zwar nicht abgebildet, es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung einer schaftgespeisten Kühlmittelquelle eingesetzt werden kann, wie der in Fig. 3 gezeigten.

[0040] In den Fig. 6 bis 12 , auf die jetzt Bezug genommen wird, sind mehrere Ansichten beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt vertiefte geometrische Merkmale oder Taschen, die an den Schlitzseitenwänden der Plattform von Turbinenlaufschaufeln entlang ausgebildet sind. Zu diesen Merkmalen zählt ein Satz Taschen, welche mit den durch die Plattform ausgebildeten inneren Kühlmittelkanälen verbunden sind, die mit Kühlmittel aus inneren Kanälen in der Wurzel der Laufschaufel oder aus dem Schafthohlraum, der zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln gebildet wird, versorgt werden können. Es versteht sich, wie unten ausführlich beschrieben wird, dass die vertieften geometrischen Merkmale der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden können, um das Kühlmittel abzubremsen und zu verlangsamen, knapp bevor das Kühlmittel aus der Plattform ausgestossen wird, was zur nutzbringenden Verringerung von thermischen Gradienten an der Schlitzseitenwand von Laufschaufeln führen kann.

[0041] Die Fig. 6 bis 12 veranschaulichen eine Turbinenlaufschaufel 100 mit einer Plattformkühlungskonfiguration 130 gemäss bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, beinhaltet die Laufschaufel 100 eine Plattform 110, die an der Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt 102 und einer Wurzel 104 liegt. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Laufschaufel 100 einen inneren Kühlgang 116, der von der Wurzel 104 zur radialen Höhe der Plattform 110 und in diesem Fall in das Schaufelblatt 102 verläuft. Es ist zu erkennen, dass an der Seite der Plattform 110, die einer Druckseite 106 des Schaufelblatts 102 entspricht, die Plattform 110 eine ebene Oberseite 113 haben kann, die von dem Schaufelblatt 102 zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand 126 verläuft. (Es ist zu beachten, dass «eben», wie hierin verwendet, in etwa oder weitgehend in der Form einer Ebene bedeutet. Zum Beispiel kann ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass Plattformen so gestaltet sein können, dass sie eine aussenliegende Oberfläche haben, die leicht gekrümmt und konvex ist, wobei die Krümmung dem Umfang der Turbine an der radialen Position der Laufschaufeln entspricht. Dieser Typ von Plattformgestalt gilt als eben, da der Krümmungsradius gross genug ist, um der Plattform ein flaches Aussehen zu verleihen.)

[0042] Zu einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, im Inneren der Plattform 110 ausgestaltet, zählen verschiedene Typen hohler Durchgänge, die zur Verteilung von Kühlmittel durch Regionen der Plattform 110 gestaltet sind. Zwar sind auch andere Konfigurationen möglich, in einer bevorzugten Ausführungsform beinhalten diese hohlen Kühlmitteldurchgänge aber einen oder mehrere Zwischenräume 132, einen oder mehrere Verbinder 134 (der den Zwischenraum 132 mit dem inneren Kühlgang 116 verbindet), eine Vielzahl von Kühlkanälen 136, die jeweils an einem Ende von einem der Zwischenräume 132 abzweigen und an dem anderen Ende eine Tasche 144 beinhalten, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 (oder in anderen Ausführungsformen der saugseitigen Schlitzseitenwand 122) entlang positioniert ist. Die Tasche 144 kann eine Öffnung 146 beinhalten, durch welche durch den Kühlkanal strömendes Kühlmittel in die Tasche 144 eintritt.

[0043] In gewissen Ausführungsformen ist an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang eine Vielzahl von Taschen 144 verteilt. Wie veranschaulicht, ist jede Tasche 144 im Allgemeinen eine konkave Ausnehmung oder ein schalenartiges Merkmal, die/das in der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 ausgebildet ist. Jede Tasche 144 beinhaltet eine Mündung 148, die mit der Ebene der Schlitzseitenwand 126 komplanar liegt. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann das Profil der Mündung 148 rechteckig sein, wie gezeigt, andere Formen sind aber möglich. Von der Mündung 148 erstreckt sich die Tasche 144 ein relativ kurzes Stück weit in die Plattform 119 hinein bis zu einer Innenwand 149, die der Mündung 148 entgegengesetzt ist. Die Öffnung 146 kann in der Innenwand 149 der Tasche 144 ausgebildet sein. Die Tasche 144 kann als eine Tiefe aufweisend beschrieben werden, die eine Umfangstiefe der Tasche 144 oder, anders ausgedrückt, den Abstand zwischen der Mündung 148 und der Innenwand 149 beschreibt. Die Tasche 144 kann ferner als eine Höhe aufweisend beschrieben werden, welche die radiale Höhe der Tasche 144 beschreibt. Die Tasche 144 kann ferner als eine Breite aufweisend beschrieben werden, welche die axiale Breite der Tasche 144 beschreibt. In gewissen bevorzugten Ausführungsformen kann die Grösse der Tasche 144 (d.h. die Tiefe, Höhe und Breite der Tasche 144) durch ihre jeweilige Beziehung zu der entsprechenden Dimension der Plattform 110 (d.h. der Umfangstiefe bzw. der radialen Höhe bzw. der axialen Breite der Plattform 110) beschrieben werden. Zum Beispiel kann in gewissen bevorzugten Ausführungsformen die Tiefe der Tasche 144 zwischen dem 0,1- und 0,6-fachen der Umfangstiefe der Plattform 110 betragen. Die Höhe der Tasche 144 kann zwischen dem 0,1- und 0,9-fachen der radialen Höhe der Plattform 110 betragen. Und die Breite der Tasche 144 kann zwischen dem 0,1- und 0,4-fachen der axialen Breite der Plattform 110 betragen. In gewissen anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die Tiefe der Tasche 144 zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen der Umfangstiefe der Plattform 110 betragen. Die Höhe der Tasche 144 kann zwischen dem 0,4- und 0,8-fachen der radialen Höhe der Plattform 110 betragen. Und die Breite der Tasche 144 kann zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen der axialen Breite der Plattform 110 betragen.

[0044] Wie angegeben, kann die Öffnung 146 einen bedeutend kleineren Strömungsquerschnitt als den Strömungsquerschnitt durch die Tasche 144 und die Mündung 148 haben. In gewissen Ausführungsformen hat die Öffnung 146 einen Strömungsquerschnitt, der zwischen dem 0,1- und 0,6-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung 148 beträgt. In gewissen anderen bevorzugten Ausführungsformen hat die Öffnung 146 einen Strömungsquerschnitt, der zwischen dem 0,2- und 0,4-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung 148 beträgt. Es versteht sich, dass dieser Typ von Vergrösserung des Strömungsquerschnitts den Kühlmittelstrom während seiner Bewegung von der Öffnung 146 zur Mündung 148 der Tasche 144 verlangsamt.

[0045] Wie angegeben, kann die Tasche 144 eine in der Innenwand 149 ausgebildete Öffnung 146 beinhalten. Die Öffnung 149 verbindet die Tasche 144 über den Kühlkanal 136 fluidisch mit einer Kühlmittelversorgung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Öffnung 146 über den Kühlkanal 136 mit dem Zwischenraum 132 verbunden. Es ist zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung mit verschiedenen Typen von Kühlmittelquellen funktionieren kann. Zum Beispiel könnte die Öffnung 146 mit einem Kanal verbunden sein, der Kühlmittel aus einer Quelle im Schafthohlraum erhält, wie in Bezug auf Fig. 10 besprochen. Wie veranschaulicht, kann die Öffnung 146 an der Innenwand 149 der Tasche 144 angeordnet sein. Die Mündung 148 hat, wie erkennbar ist, einen grösseren Strömungsquerschnitt als die Öffnung 146/der Kühlkanal 136, die die Tasche 144 mit Kühlmittel versorgen. Eine weitere Beschreibungsmöglichkeit für die Tasche 144 ist, dass die Tasche 144 eine Konfiguration beinhaltet, die den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 136 abrupt vergrössert, knapp bevor der Kühlkanal 136 eine der Schlitzseitenwände 122, 126 erreicht.

[0046] In einigen Ausführungsformen, wie in Fig. 10 veranschaulicht, können benachbarte Taschen 144 über einen Tasche/Tasche-Kanal 151 verbunden sein. Der Tasche/Tasche-Kanal 151 ist gestaltet, um die Fluidkommunikation zwischen Taschen 144 zuzulassen. Der Tasche/Tasche-Kanal 151 kann Kühlmittel zu Bereichen grösseren Bedarfs leiten. Fig. 10 beinhaltet ferner eine Ausführungsform, in der der Kühlkanal 136 die Tasche 144 mit dem Schafthohlraum 119 verbindet. In diesem Fall verläuft ein Kühlkanal 136 von der an der Innenwand 149 der Tasche 144 ausgebildeten Öffnung 146 zu einer an der Unterseite 114 der Plattform 110 positionierten Unterseitenöffnung 155. Wie veranschaulicht, können die Taschen 144 an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang zwischen der Vorderkante 107 und der Hinterkante 108 des Schaufelblatts 102 axial konzentriert sein. In gewissen Ausführungsformen können an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang zwischen vier und acht Taschen ausgebildet sein. Ausserdem können auf die gleiche Weise wie oben beschrieben an einem Zwischenraumauslass 133 Taschen 144 ausgebildet sein.

[0047] In einigen Ausführungsformen, wie in Fig. 11 veranschaulicht, können Taschen 144 einen die Tasche 144 mit der Oberseite 113 der Plattform 110 verbindenden Ausspeisekanal beinhalten, der hierin als Tasche/Oberseite-Kanal 161 bezeichnet wird. Speziell ist der Tasche/Oberseite-Kanal 161 gestaltet, um die Fluidkommunikation zwischen einer an einer Decke oder aussenliegen-den Innenfläche der Tasche 144 befindlichen Öffnung und einer an der Oberseite 113 der Plattform 110 ausgebildeten Oberseitenöffnung 163 zuzulassen. Es ist zu erkennen, dass der Tasche/Oberseite-Kanal 161 es zulassen kann, dass ein Teil des durch die Tasche 144 strömenden Kühlmittels für Filmkühlungszwecke zur Oberseite 113 der Plattform 110 umgeleitet wird. Der Tasche/ Oberseite-Kanal 161 kann zwar anders ausgerichtet sein, in einer bevorzugten Ausführungsform kann der Tasche/Oberseite-Kanal 161 aber wie veranschaulicht in Stromabwärtsrichtung abgeschrägt sein. Es ist zu erkennen, dass diese Richtungsausrichtung das Kühlmittel auf eine Weise reduziert, die Mischverluste reduziert und auch eine grössere Filmkühlungswirksamkeit fördert.

[0048] In Bezug auf den Zwischenraum 132 können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen einzelnen Zwischenraum oder mehrere Zwischenräume 132 beinhalten, wie in Fig. 7 veranschaulicht. Jeder Zwischenraum 132 kann knapp einwärts von der ebenen Oberseite 113 ausgebildet sein. Wie gezeigt, kann die Vielzahl von Zwischenkammern 132 in gewissen bevorzugten Ausführungsformen in der Druckseite der Plattform 110 bereitgestellt sein. Es ist zu erkennen, dass die hierin beschriebenen Merkmale auch auf der Saugseite der Plattform 110 liegen und ähnlich funktionieren können. In einem solchen Fall sind die Taschen 144 an der saug-seitigen Schlitzseitenwand 122 entlang angeordnet. Ein Beispiel für diesen Typ von Ausführungsform wird in Fig. 12 veranschaulicht. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Zwischenraum 132 in einem vorderen Bereich der Schaufel 100 befindlich sein und ein weiterer kann in einem hinteren Bereich der Schaufel 100 befindlich sein.

[0049] Wie in Fig. 7 vorgesehen, kann einer der ausgebildeten Zwischenräume 132 in einer weiter vorn liegenden Position als der andere angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Zwischenraum 132 bzw. können die Zwischenräume 132 etwa parallel mit dem hinteren Rand 121 und dem vorderen Rand 124 der Plattform 110 ausgerichtet sein und als lange und relativ schmale und hohle Durchgänge gestaltet sein. Der Zwischenraum 132 oder die Zwischenräume kann/können eine Längsachse haben, die zur ebenen Oberseite 126 der Plattform 110 parallel ist. In gewissen Ausführungsformen erstreckt sich jeder der Zwischenräume 132 von einer inneren Position zu einer Position an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126. Im Allgemeinen können die Zwischenräume 132 zum Bilden einer Versorgungskammer gestaltet sein, von der kleinere innere Kühlmitteldurchgänge (d.h. Kühlkanäle 136) abzweigen. Von jedem Zwischenraum 132 kann eine Vielzahl der Kühlkanäle 136 abzweigen. Die Kühlkanäle 136 können linear und so gestaltet sein, dass sie sich von dem Zwischenraum 132 weg erstrecken. Die Kühlkanäle 136 können eine Tasche 144 beinhalten, die an einer der Schlitzseitenwände ausgebildet ist. Es ist zu erkennen, dass diese Anordnung zur effektiven Verteilung von Kühlmittel in den verschiedenen Regionen der Plattform 110 verwendet werden kann, wie unten ausführlicher besprochen wird.

[0050] In gewissen Ausführungsformen erstreckt sich ein Zwischenraum 132 in Richtung auf eine der Schlitzseitenwände und beinhaltet nahe der Schlitzseitenwand einen Zwischenraumauslass 133, der mit einer anderen Tasche 144 verbunden ist, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126, wie in Fig. 7 gezeigt, oder der saugseitigen Schlitzseitenwand, wie in Fig. 12 gezeigt, ausgebildet ist. In der bevorzugten Ausführungsform von Fig. 7 beinhaltet der hintere Zwischenraum 132 einen Zwischenraumauslass oder Auslass 133 an einer hinteren Position der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 und der vordere Zwischenraum 132 kann auch einen Zwischenraumauslass 133 an einer vorderen Position an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 beinhalten. Wie veranschaulicht, kann der Zwischenraumauslass 133 so gestaltet sein, dass er einen Strömungsquerschnitt hat, der kleiner als der Strömungsquerschnitt des Zwischenraums 132 ist. Der Strömungsquerschnitt der Zwischenraumauslässe 133 kann auf diese Weise aufgrund der Notwendigkeit der gleichmässigen Verteilung von Kühlmittel durch das ganze Innere der Plattform 110 verringert werden. Das heisst, der Zwischenraum 132 kann zum Verteilen von Kühlmittel auf die mehreren Kühlkanäle 136 mit wenig Druckverlust ausgelegt werden. Zu diesem Zweck ist der Strömungsquerschnitt des Zwischenraums 132 im typischen Fall bedeutend grösser als der Strömungsquerschnitt der Kühlkanäle 136. Es ist zu erkennen, dass, wenn die Zwischenraumauslässe 133 verglichen mit der Grösse des Zwischenraums 132 nicht kleiner wären, eine übermässige Kühlmittelmenge die Plattform 110 durch den Zwischenraumauslass 133 verlassen würde und die den Kühlkanälen 136 zur Verfügung stehende Kühlmittelversorgung wahrscheinlich unzureichend wäre. Die Zwischenraumauslässe 133 können daher so bemessen sein, dass sie einen Strömungsquerschnitt haben, der einer erwünschten Dosierungscharakteristik entspricht. Eine «erwünschte Dosierungscharakteristik», wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen Durchflussbereich durch den Kühlmitteldurchgang, der eine(r) erwünschte(n) Verteilung von Kühlmittel oder eine(r) erwartete (n) Verteilung von Kühlmittel durch die mehreren Kühlmitteldurchgänge und/oder die Auslässe, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang ausgebildet sind, entspricht oder ergibt.

[0051] In einigen Ausführungsformen kann ein Stopfen 138 verwendet werden, um den Strömungsquerschnitt des Zwischenraums 132 zu reduzieren, so dass der Zwischenraumauslass 133 gebildet wird, wie veranschaulicht. Der Stopfen 138 kann so ausgebildet sein, dass er nach dem Einbau den Strömungsquerschnitt durch den Kühlgang, in dem er sich befindet, reduziert. In diesem Fall ist der Stopfen 138 gestaltet, um eine erwünschte Kühlmitteldurchflusshöhe durch den Zwischenraumauslass 133 zuzulassen, wobei der Rest durch alternative Auslässe gezwungen wird. Speziell kann der Stopfen 138 gestaltet sein, um in den Zwischenraum 132 eingesetzt zu werden und seinen Strömungsquerschnitt durch Blockieren eines Teils des Durchflussbereichs durch ihn hindurch zu reduzieren, wodurch der Zwischenraumauslass 133 gebildet wird. Der Stopfen 138 kann so ausgelegt sein, dass er den Durchflussbereich auf einen erwünschten oder vorbestimmten Strömungsquerschnitt reduziert, der mit der Dosierung des Kühlmittels durch die Kühlungskonfiguration in Beziehung steht. In gewissen Ausführungsformen, wie gezeigt, kann der Stopfen 138 mit einem zentralen Kanal ausgebildet sein, so dass er eine ungefähre «Ringform» bildet. Der Stopfen 138 kann aus konventionellen Werkstoffen hergestellt und mithilfe konventioneller Verfahren (z.B. Schweissen, Hartlöten usw.) eingebaut werden. Nach dem Einbau kann die Aussenseite des Stopfens 138 mit der Innenwand 149 der Tasche 144 bündig liegen.

[0052] Der Verbinder 134, wie gezeigt, kann sich in einer ungefähren Umfangsrichtung zwischen dem Zwischenraum 132 und dem inneren Kühlgang 116 erstrecken. Es ist zu erkennen, dass der Verbinder 134 einen Durchgang bereitstellt, damit eine Kühlmittelmenge von dem inneren Kühlgang 116 zum Zwischenraum 132 strömen kann. In einer Ausführungsform kann der Verbinder 134 etwa parallel zur Vorderkante 124 und zur Hinterkante 121 der Plattform 110 sein.

[0053] Wie angegeben, können die Kühlkanäle 136 so gestaltet sein, dass jeder von der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 zu einer Verbindung mit dem Zwischenraum 132 verläuft. Wie gezeigt, können die Kühlkanäle 136 linear sein. Die Längsachse der Kühlkanäle 136 kann mit Bezug auf die Längsachse des Zwischenraums 132 abgeschrägt sein. Die Kühlkanäle 136 haben einen kleineren Strömungsquerschnitt als der Zwischenraum 132 und/oder der Verbinder 134. Es ist zu erkennen, dass die Kühlkanäle 136 so gestaltet sein können, dass während des Betriebs jeder Kühlkanal 136 Kühlmittel durch eine an der Schlitzseitenwand ausgebildete Tasche 144 strömen lässt.

[0054] Wie oben erwähnt, können sich die Taschen 144 und die damit in Bezug stehenden inneren Kühlmitteldurchgänge (d.h. der Verbinder 134, der Zwischenraum 132 und die Kühlkanäle 136) an der Saugseite der Plattform 110 befinden. Wie in Fig. 12 gezeigt, sind in einem solchen Fall die Taschen 144 an der saug-seitigen Schlitzseitenwand 122 entlang angeordnet.

[0055] Es versteht sich, dass der Zwischenraum 132, der Verbinder 134 und die Kühlkanäle 136 im Betrieb so gestaltet sein können, dass eine Kühlmittelversorgung von dem inneren Kühlgang 116 zu einer Vielzahl von an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 oder der saugseitigen Schlitzseitenwand 122 entlang ausgebildeten Taschen 144 geleitet wird. Spezieller entnimmt die Plattformkühlanordnung der vorliegenden Erfindung dem inneren Kühlgang 116 oder dem Schafthohlraum 119 einen Teil des Kühlmittels, verwendet das Kühlmittel, um Wärme aus der Plattform 110 abzutransportieren, und stösst dann das Kühlmittel mittels der in der Schlitzseitenwand ausgebildeten Tasche aus. Das auf diese Weise freigesetzte Kühlmittel kühlt den Bereich der Plattform 110, der die Tasche 144 umgibt, ohne die steilen thermischen Gradienten entstehen zu lassen, die mit konventionellen Prall-Freisetzungsmethoden verbunden sind. Wie angegeben, ist diese Region gewöhnlich schwierig zu kühlen und ist angesichts der mechanischen Belastungen des Bereichs eine Stelle, die stark beansprucht wird, besonders auch deshalb, weil Maschinenzündtemperaturen weiter erhöht werden. Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt eine Möglichkeit, wie der Kühlbedarf erfüllt werden kann, während auch der Bildung unerwünschter thermischer Gradienten in den Schlitzseitenwänden der Plattform entgegengewirkt wird. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass dies die Lebensdauer einer Laufschaufel durch Reduzieren der Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl in der Plattformregion verlängert.

[0056] Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf die mehreren beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, ferner selektiv angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um eine gewisse Kürze zu bewahren und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns werden zwar nicht alle möglichen Iterationen bereitgestellt oder ausführlich besprochen, es ist aber vorgesehen, dass alle von den mehreren Ansprüchen unten oder anderweitig umfassten Kombinationen und möglichen Ausführungsformen Teil der vorliegenden Patentanmeldung bilden. Ausserdem können fachkundige Personen anhand der obigen Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen erkennen. Es ist auch vorgesehen, dass derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb der Fähigkeiten des Fachgebiets von den angehängten Ansprüchen abgedeckt werden. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das Vorangehende sich nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung bezieht und dass hierin zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Patentanmeldung, wie sie von den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert wird, abzuweichen.

[0057] Eine Plattformkühlanordnung in einer Turbinenlaufschaufel, die an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel eine Plattform hat. Die Plattform kann eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand beinhalten. Die Plattformkühlanordnung kann Folgendes beinhalten: einen im Inneren der Plattform ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft. An einem zweiten Ende kann der Kühlkanal eine Tasche beinhalten. Die Tasche kann, knapp bevor der Kühlkanal die Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts beinhalten.

Bezugszeichenliste

[0058] <tb>100<SEP>Turbinenlaufschaufel <tb>102<SEP>Schaufelblatt <tb>104<SEP>Wurzel <tb>105<SEP>Saugseite <tb>106<SEP>Druckseite <tb>107<SEP>Vorderkante <tb>108<SEP>Hinterkante <tb>109<SEP>Schwalbenschwanz <tb>110<SEP>Plattform <tb>112<SEP>Schaft <tb>113<SEP>Plattformoberseite <tb>114<SEP>Plattformunterseite <tb>116<SEP>Innerer Kühlgang <tb>117<SEP>Einlass <tb>119<SEP>Hohlraum <tb>120<SEP>Plattformkühlkanäle <tb>121<SEP>Hinterer Rand <tb>122<SEP>Saugseitenrand oder Schlitzseitenwand <tb>124<SEP>Vorderer Rand <tb>126<SEP>Druckseitenrand oder Schlitzseitenwand <tb>128<SEP>Druckseite der Plattform <tb>130<SEP>Plattformkühlungskonfiguration <tb>132<SEP>Zwischenraum <tb>133<SEP>Zwischenraumauslass <tb>134<SEP>Verbinder <tb>136<SEP>Kühlkanal <tb>138<SEP>Stopfen <tb>144<SEP>Schlitzseitenwandtasche oder Tasche <tb>146<SEP>Öffnung <tb>148<SEP>Mündung <tb>149<SEP>Innenwand <tb>151<SEP>Tasche/Tasche-Kanal <tb>155<SEP>Unterseitenöffnung <tb>161<SEP>Tasche/Oberseite-Kanal <tb>163<SEP>Oberseitenöffnung

Claims (10)

1. Plattformkühlanordnung in einer Turbinenlaufschaufel, die an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel eine Plattform hat, wobei die Plattform eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand aufweist, wobei die Plattformkühlanordnung Folgendes umfasst: einen im Inneren der Plattform ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft, wobei der Kühlkanal an einem zweiten Ende eine Tasche aufweist, wobei die Tasche, knapp bevor der Kühlkanal die druckseitige Schlitzseitenwand bzw. die saugseitige Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts aufweist.

2. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 1, wobei das erste Ende des Kühlkanals verbunden ist i) mit einer an einer Unterseite der Plattform ausgebildeten Öffnung, wobei die Öffnung zur fluidischen Kommunikation mit einer Schafthohl-raumkühlungsquelle während des Betriebs gestaltet ist, oder alternativ ii) mit einem in dem Inneren der Plattform ausgebildeten Zwischenraum, wobei der Zwischenraum einen Strömungsquerschnitt aufweist, der grösser als ein Strömungsquerschnitt des Kühlkanals ist.

3. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 2, wobei die Laufschaufel einen darin ausgebildeten inneren Kühlgang beinhaltet, der von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an der Wurzel der Laufschaufel bis auf wenigstens die ungefähre radiale Höhe der Plattform verläuft, wobei sie ferner einen Verbinder aufweist, der den Zwischenraum mit dem inneren Kühlgang verbindet.

4. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 3, die ferner eine Vielzahl von Kühlkanälen aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Kühlkanälen an dem ersten Ende mit dem Zwischenraum verbunden ist und wobei jeder der Vielzahl von Kühlkanälen am zweiten Ende die Tasche beinhaltet, wobei jede der Taschen, knapp bevor der Kühlkanal die druckseitige Schlitzseitenwand bzw. die saugseitige Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts aufweist.

5. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 4, wobei i) die Vielzahl von Taschen an der saugseitigen Schlitzseitenwand entlang angeordnet ist und/oder ii) wobei die Vielzahl von Taschen in regelmässigen Intervallen an der druckseitigen Schlitzseitenwand entlang angeordnet ist und die Vielzahl von Taschen vorzugsweise vier bis acht Taschen umfasst und/oder iii) wobei die Vielzahl von Taschen an der druckseitigen Schlitzseitenwand entlang verteilt ist und jede der Vielzahl von Taschen eine konkave Ausnehmung aufweist, die in der druckseitigen Schlitzseitenwand ausgebildet ist.

6. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 5, wobei jede der Vielzahl von Taschen eine mit der druckseitigen Schlitzseitenwand komplanare Mündung beinhaltet, wobei sich jede der Taschen von der Mündung ein kurzes Stück weit in die Plattform hinein erstreckt und an einer Innenwand endet, wobei die Innenwand der Mündung gegenüberliegt, wobei jede der Taschen eine Öffnung aufweist, durch welche durch die Kühlkanäle strömendes Kühlmittel in die Tasche eintritt, und wobei die Öffnung an der Innenwand der Tasche angeordnet ist.

7. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 6, wobei jede der Taschen Folgendes aufweist: eine Tiefe, die eine Umfangsentfernung zwischen der Mündung und der Innenwand definiert, eine Höhe, die eine radiale Höhe der Tasche definiert, eine Breite, die eine axiale Breite der Tasche ist, wobei die Tasche so gestaltet ist, dass die Tiefe das 0,1-und 0,6-fache einer Umfangstiefe der Plattform aufweist, wobei die Höhe der Tasche zwischen dem 0,1- und 0,9-fachen einer radialen Höhe der Plattform beträgt, wobei die Breite der Tasche zwischen dem 0,1- und 0,4-fachen einer axialen Breite der Plattform beträgt und wobei die Öffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der zwischen dem 0,1- und 0,6-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung beträgt.

8. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 9, wobei jede der Taschen Folgendes aufweist: eine Tiefe, die einen Umfangsabstand zwischen der Mündung und der Innenwand definiert, eine Höhe, die eine radiale Höhe der Tasche definiert, eine Breite, die eine axiale Breite der Tasche ist, wobei die Tasche so gestaltet ist, dass die Tiefe das 0,2-und 0,3-fache einer Umfangstiefe der Plattform aufweist, wobei die Höhe der Tasche zwischen dem 0,4- und 0,8-fachen einer radialen Höhe der Plattform beträgt und wobei die Breite der Tasche zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen einer axialen Breite der Plattform beträgt und wobei die Öffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der zwischen dem 0,2- und 0,4-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung beträgt.

9. Plattformkühlanordnung nach Anspruch 8, wobei die Mündung einen grösseren Strömungsquerschnitt aufweist als die Öffnung und der Kühlkanal.

10. Plattformkühlanordnung in einer Turbinenlaufschaufel, die an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel eine Plattform hat, wobei die Laufschaufel einen in ihr ausgebildeten inneren Kühlgang beinhaltet, der von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an der Wurzel bis auf wenigstens die ungefähre radiale Höhe der Plattform verläuft, wobei entlang einer Seite, die mit einer Druckseite des Schaufelblatts übereinstimmt, eine Druckseite der Plattform eine Oberseite aufweist, die von dem Schaufelblatt in Umfangsrichtung zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand verläuft, und entlang einer Seite, die mit einer Saugseite des Schaufelblatts übereinstimmt, eine Saugseite der Plattform eine Oberseite aufweist, die von dem Schaufelblatt in Umfangsrichtung zu einer saugseitigen Schlitzseitenwand verläuft, wobei die Plattformkühlanordnung Folgendes aufweist: einen Zwischenraum, der sich knapp einwärts der ebenen Oberseite befindet und von einer inneren Position zu einer Position nahe der druckseitigen Schlitzseitenwand oder der saugseitigen Schlitzseitenwand der Plattform verläuft, wobei der Zwischenraum eine Längsachse hat, die mit der ebenen Oberseite etwa parallel ist, einen Verbinder, der gestaltet ist, um den Zwischenraum und den inneren Kühlgang fluidisch zu verbinden, und eine Vielzahl von Kühlkanälen, die jeweils an einem ersten Ende eine Verbindung mit dem Zwischenraum und an einem zweiten Ende eine an der druckseitigen Schlitzseitenwand oder der saugseitigen Schlitzseitenwand ausgebildete Tasche beinhaltet, wobei jede der Taschen eine abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts des Kühlkanals beinhaltet, wobei die abrupte Vergrösserung des Strömungsquerschnitts sich von einer an einer Innenwand der Tasche entlang ausgebildeten Öffnung bis zu einer mit der druckseitigen Schlitzseitenwand bzw. der umseitigen saugseitigen Schlitzseitenwand komplanaren Mündung verläuft.