CH708705A2

CH708705A2 - Turbinenleitschaufelsegment mit Kühlung.

Info

Publication number: CH708705A2
Application number: CH01525/14A
Authority: CH
Inventors: Sandeep Munshi Sarangapani; Ajay Gangadhar Patil; Poorna Chandra Rao
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2015-04-15
Also published as: CN204312137U; US20150096306A1; DE102014114244A1; JP2015075103A

Abstract

Ein Turbinenleitschaufelsegment weist eine oder mehrere Leitschaufeln (50) auf, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand (46, 48) erstrecken, wobei jede Leitschaufel (50) eine Umfangsrandwand aufweist, die sich zwischen einer Vorderkante (54, 56) und einer Hinterkante (55) der Leitschaufel (50) erstreckt. Erfindungsgemäss ist wenigstens ein im Wesentlichen radial ausgerichteter Kühlkanal in der Umfangsrandwand, der an einer von der inneren und äusseren Seitenwand vorgesehen ist. Die Lage und Länge der Kühlkanäle kann in einer Ausführungsform um die Umfangsrandwand herum variieren, und der innere Hohlraum der Leitschaufel (50) kann mit Rippen versehen sein, die sich entlang des einen oder mehreren Kühlkanäle und zu diesen benachbart erstrecken, um die Wand zu verstärken und auch um zusätzliche Kühloberflächen in dem inneren Hohlraum zu schaffen.

Description

Beschreibung

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG

[0001 ] Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein die Verbesserung der Effizienz und/oder des Betriebs von Turbinen. Insbesondere, aber nicht darauf beschränkt, betrifft die vorliegende Anmeldung die Verbesserung der Kühlung von Turbinen-leitschaufein oder -laufschaufeln.

[0002] Eine Gasturbine weist typischerweise einen Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern und wenigstens einen Turbinenabschnitt auf. Der Verdichter und der Turbinenabschnitt enthalten im Allgemeinen Reihen von Leitschaufeln und Laufschaufeln, die axial in Stufen gestapelt sind. Jede Stufe kann alternierende Reihen von in Umfangsrichtung beabstandeten Leitschaufeln, die stationär sind, und in Umfangsrichtung beabstandete Laufschaufeln aufweisen, die an einem mit dem Turbinenrotor fest verbunden Rad montiert sind. Im Betrieb rotieren die Laufschaufeln in dem Verdichter mit dem Rotor, um eine dem Verdichter zugeführte Luftströmung zu verdichten. Der Grossteil der verdichteten Luft wird in der einen oder den mehreren Brennkammern mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff vermischt und gezündet, um einen Strom heisser Gase zu schaffen, der durch den Turbinenabschnitt der Turbine hindurch expandiert wird und eine Drehung des Turbinenrotors bewirkt. Somit wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in mechanische Energie des rotierenden Rotors umgewandelt, die verwendet werden kann, um die Laufschaufeln des Verdichters, so dass die für die Verbrennung erforderliche Versorgung mit verdichteter Luft realisiert wird, sowie die Spulen eines Generators zu drehen, so dass elektrischer Strom erzeugt wird.

[0003] Wegen der extremen Temperaturen in dem Heissgaspfad, der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine während des Betriebs werden die rotierenden Laufschaufeln (oder Schaufelblätter) und die stationären Leitschaufeln aufgrund der extremen mechanischen und thermischen Belastungen stark belastet.

[0004] Wie ein Fachmann erkennen wird, besteht eine Strategie zur Minderung der thermischen Belastungen in der Kühlung der Leitschaufeln und/oder der Laufschaufeln, so dass die durch die Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln erfahrenen Temperaturen niedriger sind als diejenigen des Heissgaspfads. Eine effektive Kühlung kann z.B. den Heissgaspfadkomponenten ermöglichen, höheren Brenntemperaturen zu widerstehen, bei höheren Betriebstemperaturen grösseren thermo-mechanischen Belastungen standzuhalten und/oder die Wartungsdauer zu verlängern, was allesamt der Turbine ermöglichen kann, kosteneffizienter und effektiver zu sein. Eine Möglichkeit, die Leitschaufeln und Laufschaufeln während des Betriebs zu kühlen, besteht in der Verwendung innerer Kühlkanäle oder -kreisläufe. Dies umfasst im Allgemeinen ein Durchleiten relativ kühler Luft ein, die von dem Verdichter durch innere Kühlkreisläufe innerhalb der Leitschaufeln oder Schaufelblätter zugeführt werden kann.

[0005] Es bleibt jedoch ein Bedarf nach einer effektiveren und effizienteren Kühlung z.B. in Bezug auf die Vorderkanten der stationären Leitschaufeln, die heissen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, insbesondere in der ersten Turbinenstufe, wo die höchsten Temperaturen und grössten thermischen Spannungen erfahren werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0006] In einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform ist ein Turbinenleitschaufelsegment geschaffen, das aufweist: eine oder mehrere Leitschaufeln, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand aufweist, die eine Vorder- und Hinterkante enthält; und wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal, der in der Umfangsrandwand mit einem Einlass an einer von der inneren und äusseren Seitenwand ausgebildet ist.

[0007] Der wenigstens eine im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanal des Turbinenleitschaufelsegmentes kann mehrere radial ausgerichtete Kühlkanäle aufweisen, die einen Kühlkanal an einem vordersten Abschnitt der Vorderkante enthalten.

[0008] Die Leitschaufel jedes beliebigen vorstehend beschrieben Turbinenleitschaufelsegmentes kann im Wesentlichen hohl sein, und es kann eine radial ausgerichtete Rippe an einer Innenfläche der Umfangsrandwand vorgesehen sein, die benachbart zu dem wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal angeordnet ist und sich entlang dieses erstreckt.

[0009] Die Leitschaufel jedes beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenleitschaufelsegmentes kann im Wesentlichen hohl sein, wobei eine radial ausgerichtete Rippe an einer Innenfläche der Umfangsrandwand neben jedem der mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle vorgesehen ist und sich entlang dieses erstreckt.

[0010] Die radial ausgerichtete Rippe jedes beliebigen vorstehend beschriebenen Leitschaufelsegments kann innerhalb eines inneren Kühlhohlraums in der Leitschaufel angeordnet sein.

[0011 ] Der wenigstens eine radial ausgerichtete Kühlkanal jedes beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenleitschaufelsegmentes kann mehrere Kühlkanäle aufweisen, die an beabstandeten Stellen im Wesentlichen um die gesamte Umfangsrandwand herum zwischen der Vorder- und der Hinterkante angeordnet sind, wobei eine radial ausgerichtete Rippe an einer Innenfläche der Umfangsrandwand neben jedem der mehreren Kühlkanäle vorgesehen sein und sich entlang dieses erstrecken kann.

2 [0012] Die mehreren radial ausgerichteten Kühlkanäle jedes beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenleitschaufelsegmentes können Auslässe an verschiedenen radialen Stellen zwischen der inneren und äusseren Seitenwand aufweisen.

[0013] Jede Leitschaufel jedes beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenleitschaufelsegmentes kann einen inneren Kühlkreislauf aufweisen, der von dem wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal unabhängig und mit diesem nicht verbunden ist, und ein Auslass des wenigstens einen Kanals ist in der anderen von der inneren und äusseren Seitenwand angeordnet.

[0014] Der wenigstens eine im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanal jedes beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenleitschaufelsegmentes kann eine runde, rechteckige oder rennbahnförmige Querschnittsgestalt aufweisen.

[0015] Wenigstens ein im Wesentlichen radial ausgerichteter Kühlkanal jedes beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenleitschaufelsegmentes kann mit verschiedenen Durchmesserabschnitten entlang einer radialen Längenabmessung versehen sein.

[0016] In einem weiteren nicht beschränkenden Aspekt ergibt die Erfindung eine Turbine, die einen Verdichter, wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbinenstufe mit einer Reihe stationärer Leitschaufeln, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Wand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand mit einer Vorder- und Hinterkante aufweist, und wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal aufweist, der in der Umfangsrandwand ausgebildet ist, wobei ein Einlass entweder an der inneren oder an der äusseren Seitenwand vorgesehen ist.

[0017] Der wenigstens eine im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanal der vorstehend erwähnten Turbine kann mehrere radial ausgerichtete Kühlkanäle, einschliesslich eines Kühlkanals an einem vordersten Abschnitt der Vorderkante aufweisen.

[0018] Die Leitschaufel jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann im Wesentlichen hohl sein, wobei eine radial ausgerichtete Rippe an einer Innenfläche der Umfangsrandwand, neben dem wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal vorgesehen sein und sich entlang dieses erstrecken kann.

[0019] Die Leitschaufel jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann im Wesentlichen hohl sein, und eine radial ausgerichtete Rippe kann an einer Innenfläche der Umfangsrandwand, neben jedem der mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle vorgesehen sein und sich entlang dieses erstrecken.

[0020] Die radial ausgerichtete Rippe jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann innerhalb eines inneren Kühlhohlraums in der Leitschaufel angeordnet sein.

[0021 ] Der wenigstens eine radial ausgerichtete Kühlkanal jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann mehrere Kühlkanäle an beabstandeten Stellen rings um im Wesentlichen die gesamte Umfangsrandwand zwischen der Vorder- und der Hinterkante aufweisen, wobei eine radial ausgerichtete Rippe an einer Innenfläche der Umfangsrandwand neben jedem der mehreren radial ausgerichteten Kühlkanälen vorgesehen sein und sich entlang dieses erstrecken kann.

[0022] Der wenigstens eine radial ausgerichtete Kühlkanal jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann einen mit dem inneren Kühlhohlraum verbundenen Auslass aufweisen.

[0023] Die Leitschaufel jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann einen inneren Kühlkreislauf aufweisen, der von dem wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal unabhängig und mit diesem nicht verbunden ist, und ein Auslass des wenigstens einen Kanals befindet sich in der anderen von der inneren und äusseren Seitenwand.

[0024] Der wenigstens eine im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanal jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbine kann eine runde, rechteckige oder rennbahnförmige Querschnittsgestalt aufweisen.

[0025] Es ist ebenso ein Merkmal der Erfindung, Verstärkungsrippen in dem inneren Hohlraum der Leitschaufel, neben den Kanälen in der Umfangsrandwand und wenigstens teilweise entlang dieser zu schaffen. Demzufolge ist in einem noch weiteren beispielhaften Aspekt eine Turbine geschaffen, die einen Verdichter, wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbinenstufe mit einer Reihe stationärer Leitschaufeln, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand mit einer Vorder- und Hinterkante und mehrere im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanäle, die um die Umfangsrandwand herum, einschliesslich an der Vorderkante ausgebildet sind, wobei sich die mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle wenigstens auf einer Teilstrecke entlang einer radialen Länge zwischen der inneren und äusseren Seitenwand erstrecken und in oder benachbart zu einer von der inneren und äusseren Seitenwand Einlasse aufweisen, und eine Verstärkungsrippe aufweist, die sich entlang einer Innenfläche der Umfangsrandwand benachbart zu jedem der mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle erstreckt.

[0026] Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Turbine, die einen Verdichter, wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbinenstufe mit einer Reihe stationärer Leitschaufeln, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand mit einer Vorder- und Hinterkante und mehrere im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanäle, die um die Umfangsrandwand herum, einschliesslich an der Vorderkante ausgebildet sind, wobei sich die mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle wenigstens über eine Teilstrecke entlang einer radialen Länge zwischen der inneren und der äusseren Seitenwand erstrecken und Einlasse in oder benachbart zu einer von der inneren und äusseren Seitenwand aufweisen, und eine Verstärkungsrippe aufweist,

3 die sich entlang einer inneren Fläche der Umfangsrandwand benachbart zu jedem der mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle erstreckt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0027] Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen Gasturbine;

[0028] Fig. 2 zeigt eine Seitenteilansicht eines Turbinenabschnitts einer herkömmlichen Gasturbine;

[0029] Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gasturbinenleitschaufelsatzes gemäss einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung;

[0030] Fig. 4 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Ansicht, die einen Vorderkantenkühlkanal gemäss der beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;

[0031 ] Fig. 5 und 6 zeigen vergrösserte Details, die aus Fig. 4 entnommen sind;

[0032] Fig. 7 zeigt eine perspektivische Teilansicht, die den beispielhaften Kühlkanal gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht;

[0033] Fig. 8 zeigt eine a perspektivische Teilansicht, die den beispielhaften Kühlkanal gemäss einer weiteren Ausführungsform veranschaulicht;

[0034] Fig. 9 zeigt eine perspektivische Teilansicht, die den beispielhaften Kühlkanal gemäss einer noch weiteren Ausführungsform veranschaulicht;

[0035] Fig. 10 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht einer Leitschaufel, die mit Kühlkanälen gemäss einer weiteren beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform versehen ist;

[0036] Fig. 1 1 zeigt eine Teilschnittansicht einer Leitschaufel, die einen Kühlkanal mit verschiedenen Durchmessern gemäss einer weiteren beispielhaften Ausführungsform aufweist; und

[0037] Fig. 12 zeigt eine Teilschnittansicht einer Leitschaufel, die eine Anordnung von Kühlkanälen neben einer Vorderkante der Leitschaufel gemäss einer weiteren beispielhaften Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0038] Fig. 1 veranschaulicht in schematischer Form ein Gasturbinensystem 10, das, wie hierin nachstehend beschrieben, stationäre Leitschaufeln und rotierende Schaufeln oder Laufschaufeln aufweist, die mit inneren Kühlkreisläufen versehen sein können. In dieser ansonsten herkömmlichen Anordnung wird durch den Einlass 12 zugeführte Luft in einem Verdichter 14 unter Druck gesetzt und mit einem Brennstoff in einer oder mehreren Brennkammern 16 vermischt, wo sie gezündet wird, um dadurch heisse Verbrennungsgase zu erzeugen. Energie wird den Verbrennungsgasen in einer oder mehreren stromabwärts von der Brennkammer angeordneten Turbinenstufen 18 entnommen, um einen Generator 20 anzutreiben, der elektrischen Strom erzeugt. Die entnommene Energie kann auch für den Antrieb des Verdichters 14 verwendet werden und man beachte, dass der Turbinenrotor 22 dem Verdichter, den Turbinenstufen und dem Generator gemeinsam sein kann. Die hierin beschriebene Erfindung ist jedoch nicht nur auf das veranschaulichte Gasturbinensystem beschränkt. Ferner sind die hierin beschriebenen Kühlkreisläufe in dieser Hinsicht vollständig mit vielfältigen Filmkühlungskonfigurationen kompatibel, die durch Kühlkreislaufdurchgänge oder -hohlräume strömende Luft verwenden.

[0039] Unter zusätzlicher Bezugnahme auf Fig. 2 können in einer typischen Gasturbinenkonfiguration mehrere Brennkammern 16 ringförmig um den Turbinenrotor herum mit mehreren Übergangsstücken 24 angeordnet sein, die die heissen Verbrennungsgase von den jeweiligen Brennkammern zu dem Gasturbinenabschnitt 18 leiten.

[0040] Der Gasturbinenabschnitt 18, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, weist drei gesonderte Stufen auf. Jede Stufe weist einen Satz Laufschaufeln 26, 28 bzw. 30 auf, die mit den jeweiligen Laufrädern 32, 34 und 36 gekoppelt sind, die an dem (nicht gezeigten) Turbinenrotor oder der Turbinenwelle auf herkömmliche Weise angebracht sind. Zwischen den axial beabstandeten Reihen von Laufschaufeln sind ringförmige Anordnungen von stationären Schaufeln oder Leitschaufeln 38, 40 bzw. 42 vorhanden, die die Turbinenleitapparate aufweisen, die mit dem (nicht gezeigten) umgebenden Turbinenstator fest verbunden und in Fig. 2 mit SIN, S2N und S3N gekennzeichnet sind.

[0041 ] Die Reihen von Leitschaufeln weisen innere und äussere Seitenwände 46, 48 auf, die lediglich für die Reihe von Leitschaufeln 38 gekennzeichnet sind, aber ähnliche innere und äussere Seitenwände gehören zu den Leitschaufeln jeder Leitschaufelstufe. Die Seitenwände sind typischerweise in einer bogenförmigen Segmentform geschaffen, so dass jedes Segment eine, zwei oder mehr als zwei Leitschaufeln tragen kann.

[0042] Fig. 3 veranschaulicht ein Leitschaufelsegment gemäss einer ersten beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung. Die zwei Leitschaufeln 50, 52 weisen Umfangsrandwände 51 bzw. 53, die sich um die Leitschaufeln herum erstrecken und die jeweiligen Vorderkanten 54, 56 und Hinterkanten (von denen eine bei 55 gezeigt ist) miteinander verbinden. Die Schaufeln werden zwischen der inneren und der äusseren Wand 46, 48 des Segments gehaltert. Die Vorderkanten 54, 56 der Leitschaufeln 50, 52 sind Verbrennungsgasen mit hoher Temperatur ausgesetzt, die von den Übergangsstücken 24 in die erste Turbinenstufe einströmen. Da die Leitschaufeln 50, 52 im Wesentlichen

4 identisch sind, muss lediglich eine detailliert beschrieben werden, wobei verstanden werden soll, dass alle Leitschaufeln 38 in dem Leitapparat SIN mit der nachstehend beschrieben Kühlverbesserung beschaffen sein können.

[0043] In einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform ist die Vorderkante 54 mit einer zusätzlichen Kühleinrichtung versehen, die unabhängig von jeglichen ansonsten herkömmlichen inneren Kühlkreisläufen ist und die innerhalb der Leitschaufel vorgesehen sein kann. Insbesondere Bezug nehmend auf die Fig. 4-6 erstreckt sich ein Kühldurchgang oder -kanal 58 radial durch die Umfangsrandwand 51 hindurch, entlang der Vorderkante 54 der Leitschaufel 50 zwischen einem radial äusseren Ende 60 und einem radial inneren Ende 62 der Leitschaufel. In dem gezeigten Beispiel ist das innere Ende 62 an einer Seite bei 64 aufgeweitet. Es wird erkannt, dass der Kanal 58 gebohrt oder an der Stelle gegossen werden kann und dass der Kanal sich durch die innere und äussere Seitenwand 46, 48 erstrecken kann. Der Kanal 58 ist an seinem radial äusseren und radial inneren Ende offen und ermöglicht dem Verdichter, Ausstoss- oder Abzweigluft durch den Kanal strömen zu lassen. Weil der Kanal 58 in der beispielhaften Ausführungsform als sich innerhalb der Wanddicke der Umfangsrandwand 51 erstreckend gezeigt ist, kann es notwendig sein, die Randwand zu verstärken, um eine minimale erforderliche Dicke aufrechtzuerhalten, wie nachstehend detaillierter beschrieben. Es wird erkannt, dass, wie gezeigt, ein einziger Kühlkanal 58 oder mehrere Kühlkanäle vorhanden sein können, die den Vorderkantenbereich der Leitschaufel überspannen, und die Kanäle können variierende Querschnittsformen aufweisen.

[0044] Fig. 7-9 veranschaulichen Beispiele mehrerer Kühlkanalanordnungen mit verschiedenen Querschnittsformen als auch innere Verstärkungsrippenkonfigurationen. Insbesondere zeigt Fig. 7 eine Anordnung von drei Kühldurchgängen oder -kanälen, einschliesslich des Kanals 58 an dem vordersten Abschnitt der Vorderkante 54, gemeinsam mit benachbarten Kanälen 66 und 68, von denen alle einen «rennbahnförmigen» Querschnitt mit inneren Rippen 70, 72 und 74 aufweisen, die mit den jeweiligen Kanälen im Wesentlichen ausgerichtet sind und sich entlang dieser erstrecken. Während des Betriebs treten sekundäre Kühlströmungen von dem Verdichter durch die radial ausgerichteten Durchgänge oder Kanäle 58, 66 und 68 hindurch, wodurch sie die Temperatur der Vorderkante reduzieren, was wiederum zu verbesserter niederfrequenter Ermüdungsfestigkeit, Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit führt. Die Rippen 70, 72 und 74 dienen dazu, die Wanddicke der Vorderkante 54 direkt gegenüber den jeweiligen Kühlkanälen zu verstärken. Fig. 8 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der die Kühlkanäle 158, 166 und 168 aber runde Querschnittsformen aufweisen, während die Verstärkungsrippen 170, 172 und 174 im Wesentlichen wie in Fig. 7 gezeigt bleiben. Fig. 9 zeigt eine ähnliche Anordnung, in der jedoch die Kühlkanäle 258, 266 und 268 im Wesentlichen rechteckige Querschnittsformen aufweisen. Hier sind erneut die inneren Verstärkungsrippen 270, 272 und 274 denen in den Fig. 7 und 8 gezeigten ähnlich. Es wird erkannt, dass die Kühlkanalform und die Rippenform variieren kann, wie es erforderlich ist, um die gewünschte Kühlung herbeizuführen. Beispielsweise können die Rippen sich verjüngen oder anderweitig eine nicht gleichmässige Dicke entlang ihrer jeweiligen Länge aufweisen.

[0045] Bei Verwendung der Fig. 7 als ein Beispiel sollte ebenfalls beachtet werden, dass der vorhandene Vorderkantenkühlhohlraum 76, der ein Teil eines ansonsten herkömmlichen inneren Leitschaufelkühlkreislaufs sein kann, durch die Gegenwart der Vorderkantendurchgänge 58, 66 und 68 nicht verändert wird, ausgenommen dass die Rippen 70, 72 und 74 innerhalb des Kühlhohlraums 76 dazu dienen können, die Oberfläche innerhalb des Hohlraums zu vergrössern und somit die Kühlung zu verbessern.

[0046] Es wird ferner erkannt, dass die Anzahl und Lage der in der Umfangsrandwand der Leitschaufel vorgesehenen Kühlkanäle variieren kann. Wie in Fig. 10 gezeigt und abhängig von den Kühlanforderungen, können beispielsweise mehrere Kanäle 76 an beabstandeten Stellen um die gesamte oder einen Teil der Umfangsrandwand 78 ausgebildet sein, wobei innere Verstärkungsrippen, wie erforderlich, vorgesehen sind, um minimale Anforderungen an die Dicke der Umfangsrandwand zu erfüllen.

[0047] Wie in Fig. 11 gezeigt, können die Durchmesser einzelner Kanäle entlang ihrer jeweiligen Länge variieren. Insbesondere weist der Kühlkanal 80, der in der Umfangsrandwand 82 ausgebildet ist, einen ersten Durchmesserabschnitt 84 benachbart zu der äusseren Seitenwand 86 und einen Abschnitt 88 mit einem kleineren Durchmesser an einer Stelle radial zwischen der inneren und der äusseren Seitenwand auf. Die Übergangsstelle zwischen den Durchmessern kann, wie erforderlich, abhängig von Kühlanforderungen auftreten.

[0048] Fig. 12 zeigt eine weitere Kühlkanalanordnung, bei der die radialen Längen der Kühlkanäle auf jeder Seite der Vorderkante 90 variieren. Insbesondere sind an einer Seite des Vorderkantenkanals 96 zwei zusätzliche Kanäle 92 und 94 gezeigt, die fortschreitend kürzere radiale Längen aufweisen, wobei es verstanden sein soll, dass ähnliche Kanäle in einer symmetrischen oder asymmetrischen Weise an der anderen Seite der Vorderkante 90 gebildet sein können. Somit können die Kanäle an jeder beliebigen Stelle zwischen der radial inneren und/oder äusseren Seitenwand (z.B. von 50% bis zu 100% der radialen Länge der Leitschaufel) enden und einen oder mehrere Auslässe pro Kanal aufweisen, die mit dem inneren Kühlhohlraum innerhalb der Leitschaufel verbunden sind. In Fig. 12 ist der Vorderkantenkanal 96 mit mehreren Auslässen 98 gezeigt, und dieses Merkmal kann auf jede hierin beschriebene Kühlkanalanordnung angewendet werden. Man beachte, dass sich die Auslässe 98 durch die (in Fig. 12 nicht gezeigten) Verstärkungsrippen hindurch erstrecken können aber nicht müssen.

[0049] Zusätzlich kann die Richtung der sekundären Ausgabe- oder Abzweigströmung des Verdichters radial nach aussen oder radial nach innen gerichtet sein und würde somit die Lage der Einlasse und Auslässe für die Kanäle bestimmen. In

5 anderen Worten können die Einlasse zu den Kanälen in (oder benachbart zu) entweder der inneren oder der äusseren Seitenwand angeordnet sein.

[0050] Man beachte, dass, obwohl die vorliegende Erfindung primär in Bezug auf die erste Stufe einer beispielhaften landgestützten Gasturbine beschrieben ist, die Erfindung auf jede Turbinenstufe angewendet werden kann, und ein Fachmann wird ebenfalls erkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch in anderen Turbinen, einschliesslich derjenigen, die in der Luftfahrt verwendet werden, und anderen Arten von Rotationsmaschinen verwendet werden können.

[0051 ] Während die Erfindung in Verbindung mit dem, was derzeit als die praktischste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, beschrieben ist, soll es verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil vielfältige Änderungen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die in dem Rahmen und Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind. Ein Turbinenleitschaufelsegment weist eine oder mehrere Leitschaufeln auf, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand aufweist, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante der Leitschaufel erstreckt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist wenigstens ein im Wesentlichen radial ausgerichteter Kühlkanal in der Umfangsrandwand an der Vorderkante mit Öffnungen an gegenüberliegenden Enden des Kühlkanals ausgebildet. Die Lage und Länge der Kühlkanäle kann um die Umfangsrandwand herum variieren, und der innere Hohlraum der Leitschaufel kann mit Rippen versehen sein, die sich entlang des einen oder mehreren Kühlkanäle und zu diesen benachbart erstrecken, um die Wand zu verstärken und auch um zusätzliche Kühloberflächen in dem inneren Hohlraum zu schaffen.

Bezugszeichenliste

[0052]

Turbinensystem

Einlass

Verdichter

Brennkammern

Turbinenstufen

Generator

Turbinenrotor

Übergangsstücke

Laufschaufeln

Laufräder

Schaufeln oder Leitschaufeln

Seitenwände

Leitschaufeln

Randwände

Vorderkanten

Hinterkante

Kühldurchgänge oder -kanäle äusseres Ende inneres Ende (aufgeweitete) Seite Innere Rippen Verstärkungsrippen Kühlhohlraum

10

12

14

16

18

20

22

24

26, 28, 30 32, 34 und 36 38, 40, 42 46, 48, 86

50, 52

51 , 53, 78, 82 54, 56, 90

55

58, 66, 68, 80, 92, 94, 96, 158, 166, 168, 258, 266 und 268

60

62

64

70, 72 und 74

170, 172, 174, 270, 272 und 274 76

6

Claims

Durchmesserabschnitte 84, 88 Vorderkante 90 Auslässe 98 Patentansprüche 1. Turbinenleitschaufelsegment, das aufweist: eine oder mehrere Leitschaufeln, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand mit einer Vorder- und Hinterkante aufweist; und wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal, der in der Umfangsrandwand mit einem Einlass ausgebildet ist, der an einer von der inneren und äusseren Seitenwand vorgesehen ist.
2. Turbinenleitschaufelsegment gemäss Anspruch 1 , wobei der wenigstens eine im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanal mehrere radial ausgerichtete Kühlkanäle, einschliesslich eines Kühlkanals an einem vordersten Abschnitt der Vorderkante aufweist.
3. Turbinenleitschaufelsegment gemäss Anspruch 1 , wobei die Leitschaufel im Wesentlichen hohl ist und wobei auf einer Innenfläche der Umfangsrandwand eine radial ausgerichtete Rippe vorgesehen ist, die sich benachbart zu dem wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal befindet und entlang dieses erstreckt.
4. Turbinenleitschaufelsegment gemäss Anspruch 2, wobei die Leitschaufel im Wesentlichen hohl ist und wobei auf einer Innenfläche der Umfangsrandwand eine radial ausgerichtete Rippe vorgesehen ist, die sich benachbart zu jedem der mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle befindet und entlang dieses erstreckt.
5. Turbinenleitschaufelsegment gemäss Anspruch 1 , wobei der wenigstens eine radial ausgerichtete Kühlkanal mehrere Kühlkanäle an beabstandeten Stellen um im Wesentlichen die gesamte Umfangsrandwand herum zwischen der Vorder- und der Hinterkante aufweist und wobei eine radial ausgerichtete Rippe an einer Innenfläche der Umfangsrandwand vorgesehen ist und sich benachbart zu jedem der mehreren radial ausgerichteten Kühlkanäle befindet und entlang dieses erstreckt.
6. Turbinenleitschaufelsegment gemäss Anspruch 2, wobei die mehreren radial ausgerichteten Kühlkanäle Auslässe an verschiedenen radialen Stellen zwischen der inneren und der äusseren Wand aufweisen.
7. Turbinenleitschaufelsegment gemäss Anspruch 1 , wobei jede Leitschaufel einen inneren Kühlkreislauf aufweist, der von dem wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal unabhängig und mit diesem nicht verbunden ist, und wobei ein Auslass des wenigstens einen Kanals in der anderen von der inneren und äusseren Seitenwand angeordnet ist.
8. Turbinenleitschaufelsegment gemäss Anspruch 1 , wobei wenigstens ein im Wesentlichen radial ausgerichteter Kühlkanal entlang einer radialen Längendimension mit verschiedenen Durchmesserabschnitten ausgebildet ist.
9. Turbine, die einen Verdichter, wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbinenstufe mit einer Reihe stationärer Leitschaufeln aufweist, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand mit einer Vorder- und Hinterkante und wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanal aufweist, der in der Umfangsrandwand ausgebildet ist, mit einem Einlass, der an einer von der inneren oder äusseren Seitenwand vorgesehen ist.
10. Turbine, die einen Verdichter, wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbinenstufe mit einer Reihe stationärer Leitschaufeln aufweist, die sich zwischen einer radial inneren und äusseren Seitenwand erstrecken, wobei jede Leitschaufel eine Umfangsrandwand mit Vorder- und Hinterkanten und mehrere im Wesentlichen radial ausgerichtete Kühlkanäle, die um die Umfangsrandwand herum, einschliesslich an der Vorderkante ausgebildet sind, wobei die mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle sich wenigstens eine Teilstrecke entlang einer radialen Länge zwischen der inneren und der äusseren Seitenwand erstrecken und Einlasse in oder benachbart zu einer von der inneren und äusseren Seitenwand aufweisen, und eine Verstärkungsrippe aufweist, die sich entlang einer Innenfläche der Umfangsrandwand benachbart zu jedem der mehreren im Wesentlichen radial ausgerichteten Kühlkanäle erstreckt. 7