CH708778A2 - Turbinenschaufel mit Serpentinen-Kern. - Google Patents

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CH708778A2
CH708778A2 CH01604/14A CH16042014A CH708778A2 CH 708778 A2 CH708778 A2 CH 708778A2 CH 01604/14 A CH01604/14 A CH 01604/14A CH 16042014 A CH16042014 A CH 16042014A CH 708778 A2 CH708778 A2 CH 708778A2
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Jason Douglas Herzlinger
Anthony Louis Giglio
Jacob Charles Perry Ii
Harish Bommanakatte
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Gen Electric
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (200), zu der gehören: eine Basis (212); und ein Schaufelblatt (202), das an einem ersten Ende des Schaufelblatts (202) mit der Basis (212) verbunden ist, wobei das Schaufelblatt (202) aufweist: ein Gehäuse (203), zu dem gehören: eine Saugseite (204); eine Druckseite (206), die der Saugseite (204) gegenüberliegt; eine Anströmkante (208), die sich zwischen der Druckseite (206) und der Saugseite (204) erstreckt; und eine Abströmkante (210), die der Anströmkante (208) gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite (206) und der Saugseite (204) erstreckt, wobei das Gehäuse (203) an der Anströmkante (210) eine Öffnung (218) aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse (203), wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses (203) und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung (218) an der Anströmkante (208) des Gehäuses (203) strömungsmässig verbunden ist.

Description

Beschreibung GEBIET DER ERFINDUNG
[0001 ] Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Turbomaschinen. Spezieller betrifft die hier beschriebene Erfindung Bauteile in Turbotriebwerken, beispielsweise in Gas- und/oder Dampfturbinen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
[0002] Gasturbinensysteme sind ein Beispiel von Turbomaschinenanlagen, die breite Anwendung auf Gebieten wie beispielsweise der Energieerzeugung finden. Ein herkömmliches Gasturbinensystem weist einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt auf. Während des Betriebs des Gasturbinensystems sind unterschiedliche Komponenten in dem System heissen Strömungen ausgesetzt, was zu Ausfällen der Bauteile führen kann. Da ein Erhöhen der Temperatur der Strömungen allgemein zu einer Steigerung der Leistung, des Wirkungsgrads und der Leistungsabgabe des Gasturbinensystems führt, kann es erwünscht sein, die Bauteile, die heissen Strömungen ausgesetzt sind, zu kühlen, um das Gasturbinensystem bei höheren Temperaturen betreiben zu können.
[0003] Für jede Stufe des Turbinenabschnitts oder des Heissgaspfadabschnitts eines Gasturbinensystems werden viele Systemanforderungen berücksichtigt, um Konstruktionsziele zu erreichen, zu denen eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrades und der Schaufelblattbelastung gehört. Speziell sind die Schaufeln der erste Stufe des Turbinenabschnitts dazu eingerichtet, den Betriebsanforderungen für jene spezielle Stufe zu genügen und ausserdem Anforderungen hinsichtlich der Kühlfläche und Wandstärke der Schaufel zu entsprechen. Allerdings genügen herkömmliche Konstruktionen diesen Betriebsanforderungen in manchen Fällen nicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0004] Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beinhalten Turbinenschaufeln und Systeme, die derartige Schaufeln verwenden. Spezielle Ausführungsformen enthalten eine Turbinenschaufel, zu der gehören: eine Basis; und ein Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der an der Anströmkante des Gehäuses strömungsmässig mit der Öffnung verbunden ist.
[0005] Ein erster Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Turbinenschaufel, zu der gehören: eine Basis; und ein Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante des Gehäuses strömungsmässig verbunden ist.
[0006] Der serpentinenförmig gestaltete Kern kann aufweisen: einen Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern, die sich in dem Gehäuse im Wesentlichen radial erstrecken; und einen Satz von Stützelementschächten in der Nähe eines Endes des Satzes von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern zum Tragen eines Stützelements.
[0007] Die Turbinenschaufel jeder oben erwähnten Bauart kann ferner in jedem Stützelementschacht ein Stützelement aufweisen, wobei das Stützelement eine hartverlötete oder verschweisste Stützkugel beinhaltet.
[0008] Der Satz von Stützelementschächten jeder oben erwähnten Turbinenschaufel kann radial innerhalb des Satzes von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern angeordnet sein.
[0009] Der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern jeder oben erwähnten Turbinenschaufel kann enthalten: mehrere Verstärkungsfinger; einen Satz von radial innenliegenden Windungen zwischen benachbarten Verstärkungsfingern; und einen Satz von radial aussenliegenden Windungen zwischen benachbarten Verstärkungsfingern, wobei wenigstens eine der radial aussenliegenden Windungen in dem Satz von radial aussenliegenden Windungen ein nicht asymmetrisches Bogenmerkmal aufweist, so dass die benachbarten Verstärkungsfinger an einem radial äussersten Abschnitt der Windung durch einen ersten Abstand getrennt sind und an einem radial innenliegenden Abschnitt der Windung durch einen zweiten Abstand getrennt sind, der kleiner ist als der erste Abstand.
[0010] Der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern jeder oben erwähnten Turbinenschaufel kann im Wesentlichen einheitlich sein.
[0011 ] Die Turbinenschaufel jeder oben erwähnten Bauart kann ein nominales Innenkernprofil aufweisen, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von x, y und z entspricht, die in Tabelle I unterbreitet sind, wobei die z-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplikation der z-Werte mit einer Höhe der Schaufel in Zoll in z-Abstände in Zoll umgewandelt werden können, und wobei x und y dimensionslose Werte sind, die, wenn sie durch stetige fort-
2 laufende Bögen verbunden werden, Innenkernprofilabschnitte bei jedem Abstand z entlang der Schaufel definieren, wobei die Profilabschnitte an den z-Abständen miteinander stetig vereinigt sind, um das Innenkernprofil der Schaufel zu bilden.
[0012] Die Öffnung an der Anströmkante und der Anströmkantendurchlasskanal in dem Kern können näher an der Basis als an einer radialen Spitze des Schaufelblatts angeordnet sein.
[0013] Die Basis jeder oben erwähnten Turbinenschaufel kann radial innerhalb des Schaufelblatts angeordnet sein. [0014] Der Kern jeder oben erwähnten Turbinenschaufel kann sich von der Basis zu dem Schaufelblatt erstrecken.
[0015] Der Kern jeder oben erwähnten Turbinenschaufel kann ausserdem einen sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanal aufweisen, der an der Anströmkante strömungsmässig mit der Öffnung verbunden ist.
[0016] Der sich zumindest teilweise radial erstreckende Durchlasskanal jeder oben erwähnten Turbinenschaufel kann einen Satz von Zumess-Strukturen aufweisen, um eine Arbeitsfluidmenge zu modulieren, die in die Öffnung an der Anströmkante und in den Anströmkantendurchlasskanal eintritt.
[0017] Ein zweiter Aspekt der Erfindung beinhaltet einen Turbinenlaufradabschnitt, zu dem gehören: ein Satz von Schaufeln, wobei der Satz von Schaufeln mindestens eine Schaufel enthält, die aufweist: eine Basis; und ein Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante des Gehäuses strömungsmässig verbunden ist.
[0018] Der serpentinenförmig gestaltete Kern kann aufweisen: einen Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern, die sich in dem Gehäuse im Wesentlichen radial erstrecken; und einen Satz von Stützelementschächten in der Nähe eines Endes des Satzes von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern zum Halten eines Stützelements.
[0019] Der Turbinenlaufradabschnitt jeder oben erwähnten Bauart kann ferner in jedem Stützelementschacht ein Stützelement aufweisen, wobei das Stützelement eine hartverlötete oder verschweisste Stützkugel beinhaltet.
[0020] Der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern kann enthalten: mehrere Verstärkungsfinger; einen Satz von radial innenliegenden Windungen zwischen benachbarten Verstärkungsfingern; und einen Satz von radial aussenliegenden Windungen zwischen benachbarten Verstärkungsfingern, wobei wenigstens eine in dem Satz von radial aussenliegenden Windungen ein nicht asymmetrisches Bogenmerkmal aufweist, so dass die benachbarten Verstärkungsfinger an einem radial äussersten Abschnitt der Windung durch einen ersten Abstand getrennt sind und an einem radial innenliegenden Abschnitt der Windung durch einen zweiten Abstand getrennt sind, der kleiner ist als der erste Abstand.
[0021 ] Die wenigstens eine Schaufel kann ein nominales Innenkernprofil aufweisen, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von x, y und z entspricht, die in Tabelle I unterbreitet sind, wobei die z-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplikation der z-Werte mit einer Höhe der Schaufel in Zoll in z-Abstände in Zoll umgewandelt werden können, und wobei x und y dimensionslose Werte sind, die, wenn sie durch stetige fortlaufende Bögen verbunden werden, bei jedem Abstand z entlang der Schaufel Innenkernprofilabschnitte definieren, wobei die Profilabschnitte an den z-Abständen miteinander stetig vereinigt sind, um das Innenkernprofil der Schaufel zu bilden.
[0022] Die Öffnung an der Anströmkante und der Anströmkantendurchlasskanal in dem Kern können näher an der Basis als an einer radialen Spitze des Schaufelblatts angeordnet sein, wobei sich die Basis in Bezug auf das Schaufelblatt radial innen befindet.
[0023] Der Kern kann ausserdem einen sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanal aufweisen, der an der Anströmkante strömungsmässig mit der Öffnung verbunden ist, wobei der sich zumindest teilweise radial erstreckende Durchlasskanal einen Satz von Zumess-Strukturen aufweist, um eine Arbeitsfluidmenge zu modulieren, die in die Öffnung an der Anströmkante und in den Anströmkantendurchlasskanal eintritt.
[0024] Ein dritter Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Turbine, zu der gehören: ein Zwischenwandabschnitt; und ein Rotorabschnitt, der zumindest teilweise in dem Zwischenwandabschnitt untergebracht ist, wobei der Rotorabschnitt einen Satz von Schaufeln aufweist, der mindestens eine Schaufel enthält, zu der gehören: eine Basis; und ein Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante des Gehäuses strömungsmässig verbunden ist, wobei die wenigstens eine Schaufel ein nominales Innenkernprofil aufweist, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von x, y und z entspricht, die in Tabelle I unterbreitet sind, wobei die z-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplikation der z-Werte mit einer Höhe der Schaufel in Zoll in z-Abstände in Zoll umgewandelt werden können, und wobei x und y dimensionslose Werte sind, die, wenn sie durch stetige fortlaufende Bögen verbunden
3 werden, bei jedem Abstand z entlang der Schaufel Innenkernprofilabschnitte definieren, wobei die Profilabschnitte an den z-Abständen miteinander stetig vereinigt sind, um das Innenkernprofil der Schaufel zu bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0025] Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlicher, die vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulichen:
[0026] Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Teilansicht eines Abschnitts einer Turbine gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0027] Fig. 2 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Turbinenschaufel, die ein Schaufelblatt und eine Basis aufweist, gemäss vielfältigen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
[0028] Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kerns der Turbinenschaufel von Fig. 2 gemäss vielfältigen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
[0029] Fig. 4 zeigt eine vergrösserte perspektivische Ansicht eines Basisabschnitts des Kerns von Fig. 3.
[0030] Fig. 5 zeigt eine vergrösserte perspektivische Ansicht eines zugemessenen Einlassabschnitts des Kerns von Fig.3.
[0031 ] Fig. 6 zeigt eine vergrösserte perspektivische Ansicht eines nicht asynchronen Windungsabschnitts des Kerns von Fig. 3.
[0032] Fig. 7 veranschaulicht in einem Blockschaltbild Bereiche eines Mehrwellen-Kombinationszykluskraftwerksystems gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung; und
[0033] Fig. 8 veranschaulicht in einem Blockschaltbild Abschnitte eines Einzelwellen-Kombinationszykluskraftwerksystems gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung.
[0034] Zu beachten ist, dass die Zeichnungen der Erfindung nicht unbedingt massstabgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung veranschaulichen und sollten daher nicht als den Schutzumfang der Erfindung beschränkend erachtet werden. Es versteht sich, dass Elemente, die in unterschiedlichen Figuren mit ähnlich nummeriert sind, wie mit gegenseitigem Bezug beschrieben, sich im Wesentlichen ähneln können. Darüber hinaus können in Ausführungsbeispielen, die anhand Fig. 1-8 gezeigt und beschrieben sind, gleichartige Bezeichnungen gleichartige Elemente repräsentieren. Auf eine überflüssige Erläuterung dieser Elemente wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Zuletzt versteht sich, dass die Bauteile von Fig. 1-8 und deren beigefügte Beschreibungen auf beliebige hier beschriebene Ausführungsbeispiele angewendet werden können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0035] Wie im Vorliegenden vermerkt, betreffen vielfältige Aspekte der Erfindung Turbinenschaufeln. Spezielle Aspekte der Erfindung beinhalten Turbinenschaufeln, die eine Sepentinen-Kern-Konstruktion aufweisen.
[0036] Im Gegensatz zu herkömmlichen Turbinenschaufeln, beinhalten Aspekte der Erfindung eine Turbinenschaufel (z.B. eine dynamische Schaufel für den Antrieb einer Turbinenwelle), die eine Sepentinen-Kern-Verstärkungsstruktur in ihrem Gehäuse aufweist. Die Schaufel kann ferner einen Anströmkantendurchlasskanal aufweisen, der strömungsmässig mit einer Öffnung an der Anströmkante der Schaufel verbunden ist. Die Sepentinen-Kern-Verstärkungsstruktur kann das Schaufelgehäuse verstärken und eine im Vergleich zu herkömmlichen Verstärkungsstrukturen verbesserte Stabilität vorsehen. Darüber hinaus kann der Anströmkantendurchlasskanal in einer Turbine, die die Schaufel verwendet, Ineffizienzen in Zusammenhang mit der Strömung reduzieren. Weiter kann die Sepentinen-Kern-Verstärkungsstruktur, wie hier beschrieben, im Innern einer Schaufel und/oder über mehrere Schaufeln hinweg, die derartige Verstärkungsstrukturen verwenden, eine verbesserte Wärmeübertragung bewirken.
[0037] In dem hier verwendeten Sinne bezeichnen die Begriffe «axial» und/oder «in axialer Richtung» die relative Position/ Richtung von Objekten entlang der Achse A, die im Wesentlichen parallel zu der Drehachse der Turbomaschine (speziell des Rotorabschnitts) ist. Weiter bezeichnen die Begriffe «radial» und/oder «in radialer Richtung» in dem hier verwendeten Sinne die relative Position/Richtung von Objekten entlang der Achse (r), die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Achse A verläuft und die Achse A an lediglich einem Ort schneidet. Darüber hinaus bezeichnen die Begriffe «an dem Umfang» und/oder «in Umfangsrichtung» die relative Position/ Richtung von Objekten entlang eines Umfangs, der die Achse A umgibt, jedoch die Achse A an keiner Stelle schneidet. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe Anströmkante/Druckseite auf Komponenten und/oder Oberflächen, die in Bezug auf den Fluidstrom des Systems stromaufwärts ausgerichtet sind, und die Begriffe Abströmkante/Saugseite beziehen sich’ auf Komponenten und/oder Oberflächen, die in Bezug auf den Fluidstrom des Systems stromabwärts ausgerichtet sind. Das kartesische Koordinatensystem, das genutzt wird, um die Gestalt der Sepentinen-Kern-Konstruktion zu definieren, wird im Vorliegenden näher definiert und kann unabhängig von den axialen, radialen und sonstigen Richtungsbezeichnungen eingesetzt werden.
[0038] In der folgenden Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden und spezielle Ausführungsbeispiele veranschaulichen, in denen die vorliegenden Ausführungen in die
4 Praxis umgesetzt werden können. Diese Ausführungsbeispiele sind im Einzelnen ausreichend beschrieben, um dem Fachmann zu ermöglichen, die vorliegenden Ausführungen in die Praxis umzusetzen, und es ist klar, dass weitere Ausführungsbeispiele verwendet werden können, und dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gegenstand der erfindungsgemässen Ausführungen abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist daher lediglich exemplarisch.
[0039] Mit Bezug auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine perspektivische teilweise aufgeschnitten Darstellung einer Turbine 10 (z.B. einer Gas- oder Dampfturbine) gemäss vielfältigen Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Turbine 10 enthält einen Rotor 12, der eine rotierende Welle 14 und mehrere axial beabstandete Laufräder 18 aufweist. Mehrere rotierende Schaufeln 20 (dynamische Schaufeln) sind mit jedem Laufrad 18 mechanisch verbunden. Spezieller sind die Schaufeln 20 in Reihen angeordnet, die sich rund um den Umfang jedes Laufrads 18 erstrecken. Eine Zwischenwand 21 ist gezeigt, die mehrere stationäre Blätter (oder Leitschaufeln) 22 aufweist, die entlang des Umfangs um die Welle 14 angeordnet sind, und die Blätter 22 sind axial zwischen benachbarten Reihen von Schaufeln 20 angeordnet. Stationäre Blätter 22 wirken mit den Schaufeln 20 zusammen, um eine Stufe der Turbine 10 zu bilden, und um einen Abschnitt eines durch die Turbine 10 führenden Strömungspfads zu definieren. Wie gezeigt, umgibt die Zwischenwand 21 den (in dieser aufgeschnittenen Ansicht gezeigten) Rotor 12 zumindest teilweise. Es leuchtet ein, dass die gezeigte Turbine 10 eine Zweistromturbine 10 ist, die eine axial zentrierte Einlassmündung aufweist, die zwei Sätze von Turbinenstufen beliefert. Es leuchtet ein, dass sich vielfältige Ausführungen auf axiale Turbinen, z.B. Gasturbinen mit axialem Einlass, anwenden lassen, die ein Verbrennungsgas von einem ersten axialen Ende aufnehmen und das Verbrennungsgas an ein zweites axiales Ende ausgeben, nachdem das Gas an der Turbine mechanische Arbeit geleistet hat.
[0040] Mit nochmaligem Bezug auf Fig. 1 tritt im Betrieb Gas 24 in einen Einlass 26 der Turbine 10 ein und wird durch die stationären Blätter 22 kanalisiert. Die Blätter 22 lenken Gas 24 gegen die Schaufeln 20. Das Gas 24 strömt durch die übrigen Stufen, wobei es auf die Schaufeln 20 eine Kraft ausübt, die die Welle 14 in Rotation versetzt. Mindestens das eine Ende der Turbine 10 kann sich axial von der rotierenden Welle 12 wegerstrecken und kann mit einer (nicht gezeigten) Last oder Werkzeugmaschine verbunden sein, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, mit einem Generator und/oder einer weiteren Turbine.
[0041 ] In einem Ausführungsbeispiel kann die Turbine 10 fünf Stufen aufweisen. Die fünf Stufen sind mit LO, LI, L2, L3 und L4 bezeichnet. Die Stufe L4 ist die erste Stufe und ist (in radialer Richtung) die kleinste der fünf Stufen. Die Stufe L3 ist die zweite Stufe und ist in axialer Richtung die nächste Stufe. Die Stufe L2 ist die dritte Stufe und ist in der Mitte der fünf Stufen gezeigt. Die Stufe LI ist die vierte und vorletzte Stufe. Die Stufe LO ist die letzte Stufe und ist (in radialer Richtung) die grösste. Es versteht sich, dass die Anzahl von fünf Stufen lediglich als ein Beispiel dient, und dass jede Turbine mehr oder weniger als fünf Stufen aufweisen kann. Weiter setzen die Ausführungen der Erfindung, wie hier im Folgenden beschrieben, keine Mehrstufenturbine voraus. In einer weiteren Ausführungsform kann die Turbine 10 ein Flugzeugtriebwerk sein, das dazu dient, Schub zu erzeugen.
[0042] Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Turbinenschaufel (oder einfach Schaufel) 200 gemäss unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gezeigt. Die Schaufel 200 ist eine drehbare (dynamische) Schaufel, die Teil eines Satzes von Schaufeln ist, die entlang des Umfangs einer Rotorwelle in einer Turbinenstufe (z.B. der Turbine 10) verteilt sind. Selbstverständlich kann die Schaufel 200 in vielfältigen Ausführungsbeispielen ebenso wie die anhand von Fig. 1 gezeigten und beschriebene(n) Schaufel(n) 20 in einer Turbine (z.B. in der Turbine 10 von Fig. 1 ) eingebaut sein. D.h., die Schaufel 200 wird im Betrieb einer Turbine (z.B. der Turbine 10) um die Achse A rotieren, wenn ein Arbeitsfluid (z.B. Gas oder Dampf) über das Blatt der Schaufel gelenkt wird und dadurch eine Rotorwelle (z.B. die Welle 14) in Drehung versetzt. Es leuchtet ein, dass die Schaufel 200 dazu eingerichtet ist, (mechanisch über Befestigungsmittel, Schweissnähte, Schlitze/Nuten und dergleichen) mit mehreren ähnlichen oder verschiedenen Schaufeln (z.B. den Schaufeln 200 oder sonstigen Schaufeln) verbunden zu werden, um einen Satz von Schaufeln in einer Stufe der Turbine zu bilden.
[0043] Indem wieder auf Fig. 2 eingegangen wird, kann die Turbinenschaufel 200 ein Blatt beinhalten 202, das eine (in dieser Ansicht verborgene) Saugseite 204 und eine Druckseite 206 aufweist, die der Saugseite 204 gegenüberliegt. Weiter kann die Schaufel 200 eine Anströmkante 208, die sich zwischen der Druckseite 206 und der Saugseite 204 erstreckt, und eine Abströmkante 210 aufweisen, die zu der Anströmkante 208 entgegengesetzt angeordnet ist und sich zwischen der Druckseite 206 und der Saugseite 204 erstreckt. In dieser Ansicht ist lediglich das Gehäuse 203 des Schaufelblatts 202 sichtbar, da dessen Kernstruktur (300, Fig. 3) durch das Gehäuse 203 verborgen ist. Die Kernstruktur (300, Fig. 3) wird im Vorliegenden eingehender beschrieben. Es leuchtet ein, dass die Schaufel 200 in vielfältigen Ausführungsbeispielen eine Schaufel der ersten Stufe (L4) sein kann, die einem Arbeitsfluid (z.B. Gas oder Dampf) mit höherer Temperatur und höherem Druck ausgesetzt ist als Schaufeln, die in späteren Stufen (z.B. L3-L0) angeordnet sind. Wie hier beschrieben, ermöglichen verschiedene Aspekte der Turbinenschaufel 200 eine verbesserte Produktlebensdauer und Leistung in einer Turbine, die eine derartige Schaufel verwendet.
[0044] Wie gezeigt, kann die Schaufel 200 zudem eine Basis 212 aufweisen, die mit dem Schaufelblatt 202 verbunden ist. Die Basis 212 kann entlang der Saugseite 204, Druckseite 206, Abströmkante 210 und Anströmkante 208 mit dem Schaufelblatt 202 verbunden sein. In vielfältigen Ausführungsbeispielen weist die Schaufel 200 in der Nähe eines ersten Endes 215 des Schaufelblatts 202 eine Hohlkehle 214 auf, wobei die Hohlkehle 214 das Schaufelblatt 202 und die Basis 212 verbindet. Die Hohlkehle 214 kann gegossen (ein Gussmerkmal) sein oder eine Schweiss- oder Hartlötkehlnaht beinhalten, die mittels herkömmlicher Techniken, wie beispielsweise MSG-Schweissen, WIG Schweissen, Hartlöten, und dergleichen, ausgebildet werden können. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die Basis 212 dazu eingerichtet,
5 in einen passenden Schlitz in der Turbinenrotorwelle (z.B. in der Welle 14) zu passen und zu benachbarten Basiskomponenten anderer Schaufeln 200 zu passen. Die Basis 212 ist dazu eingerichtet, gegenüber dem Schaufelblatts 202 radial innen angeordnet zu sein. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann die Basis 212 (z.B. in Verbindung mit der Rotorwelle 14) über eine Schwalbenschwanz- oder Tannenbaumprofilverbindung, durch Schweissen oder durch eine beliebige sonstige mechanische oder physikalische Verbindung mit einem Rad eines Rotors verbunden werden.
[0045] In vielfältigen Ausführungsbeispielen kann das Schaufelblatt 202, wie es hier beschrieben ist, entlang seiner Anströmkante 208 eine Öffnung 218 aufweisen, um ein Entweichen von Kühlfluid aus dem Kern des Schaufelblatts 202 zu der Aussenseite des Schaufelblatts 202 zu erlauben. Wie hier beschrieben, kann die Öffnung 218 strömungsmässig mit einem Durchlasskanal in dem Kern des Schaufelblatts 202 verbunden sein, und die Öffnung 218 und der Durchlasskanal können gemeinsam ein Entweichen des Arbeitsfluids aus dem Kern des Schaufelblatts 202 zu der Aussenseite des Schaufelblatts 202 erlauben. Der Kühlmittelstrom kann über den Basisabschnitt 212 in den Kern (bzw. in die Kernstruktur 300 nach Fig. 3) eintreten und kann den Kern über eine oder mehrere Öffnungen 218 verlassen. Es leuchtet ein, dass in vielfältigen Ausführungsbeispielen eine oder mehrere Öffnungen 218 entlang der Anströmkante 208, Abströmkante 210, oder anderer Oberflächen des Schaufelblatts 202 angeordnet sein können.
[0046] Fig. 3 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Kernstruktur 300 in dem Gehäuse 203 des Schaufelblatts 202. Die Kernstruktur (oder einfach der Kern) 300 kann, wie hier näher beschrieben, eine Serpentinengestalt 302 aufweisen. Der Kern 300 kann das Gehäuse 203 des Schaufelblatts 202 stützen und kann sich radial von der Basis 212 (Fig. 2) über die gesamte Länge des Schaufelblatts 202 erstrecken. Wie hier beschrieben, kann die Serpentinengestalt 302 das Gehäuse 203 (Fig. 2), z.B. während der Nutzung der Schaufel 200 während des Betriebs einer Turbine (z.B. einer Gas- oder Dampfturbine, wie sie hier beschrieben ist) mechanisch stützen. Wie ausserdem in Fig. 3 gezeigt, kann der Kern 300 einen Anströmkantendurchlasskanal 304 aufweisen, der strömungsmässig mit der Öffnung 218 an der Anströmkante 208 des Schaufelblattgehäuses 203 verbunden ist. Der Anströmkantendurchlasskanal 304 kann strömungsmässig mit der Öffnung 218 an der Anströmkante 208 verbunden sein, so dass ein Kühlfluid, z.B. eine Kühlflüssigkeit, durch die Öffnung 218 zu einer Aussenseite des Schaufelblatts 202 entweichen kann.
[0047] In Fig. 3 sowie in Fig. 4 und 5 kann ein Grundkörper als ein Umriss von Hohlräumen gezeigt sein, die in dem Schaufelblatt 202 ausgebildet sind, so dass Flächen, die als Aussenflächen des Kerns 300 oder Bereiche davon erscheinen, tatsächlich Wände der Hohlräume, die der Körper repräsentiert, oder Begrenzungen zwischen den Hohlräumen und dem massiven Material der Schaufel 200 und/oder dem Schaufelblatt 202 sein können. Zur Verdeutlichung kann die Darstellung des Kerns 300 oder eines Abschnitts davon als eine Form angesehen werden, die beim Giessen der Schaufel 200 und/oder des Schaufelblatts 202 einzuschliessen ist und später zu entfernen ist, um den einen oder die mehreren Hohlräume zurückzulassen, die den Kern 300 bilden. Es ist zu beachten, dass Giessen lediglich eine von vielen Techniken ist, mittels der die Schaufel 200, das Schaufelblatt 202 und/oder der Kern 300 hergestellt und/oder geformt werden können. Ein abgewandelter konzeptioneller Entwurf des Kerns 300 kann seine Ausprägung mittels dünner Bleche beinhalten, die seine inneren und äusseren Begrenzungen bilden.
[0048] In vielfältigen Ausführungsbeispielen beinhaltet der serpentinenförmig gestaltete Kern 302 einen Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern 310, die sich in dem Gehäuse 203 im Wesentlichen radial erstrecken. Wie hier beschrieben, kann der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern 310 anhand einzelner oder mehrerer im Wesentlichen einstückiger Werkstoffelemente, z.B. aus Metall, wie beispielsweise Stahl, Aluminium und/oder Legierungen jener Metalle, geformt sein. In vielfältigen Ausführungsbeispielen ist der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern 310 als eine im Wesentlichen ganzheitliche Konstruktion gebildet und kann z.B. durch integrales Giessen und/ oder Schmieden einstückig ausgebildet werden. In einigen abgewandelten Ausführungsbeispielen können die aneinandergrenzenden Verstärkungsglieder 310 anhand von gesonderten Verstärkungsgliedern hergestellt sein, die aneinander geklebt sind, um Nahtstellen oder Unregelmässigkeiten zwischen diesen gesonderten Gliedern im Wesentlichen auszuschliessen. In einigen speziellen Fällen sind diese gesonderten Glieder miteinander verschweisst und/oder hartverlötet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, anhand eines zu opfernden Materials eine Form hergestellt werden, die während des Giessens der Schaufel 200 und/oder des Schaufelblatts 202 in einer Giessform für die Schaufel 200 bzw. das Schaufelblatt 202 angeordnet werden kann. Ein derartiges zu opferndes Material kann ausgewählt werden, um den in Zusammenhang mit dem Gussvorgang vorliegenden Bedingungen standzuhalten, kann allerdings später entfernt werden, um die Hohlräume zurückzulassen, die den Kern 300 in der ansonsten im Wesentlichen massiven Schaufel 200 und/oder in dem Schaufelblatt 202 bilden.
[0049] Der serpentinenförmig gestaltete Kern 302 kann ferner in der Nähe eines (radial innenliegenden) Endes 312 des Satzes von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern 310 einen Satz von Stützelementschächten (oder Schlitzen) 314 enthalten. Der Satz von Stützelementschächten 314 kann bemessen sein, um ein Stützelement zu tragen (Fig. 4). Fig. 4 zeigt eine Detailansicht des radial innenliegenden Endes 312 einiger Verstärkungsglieder, die mit Stützelementschächten 314 verbunden sind. Wie in der halbtransparenten Darstellung der Stützelementschächte 314 gezeigt, kann in jedem Stützelementschacht 314 (radial innerhalb der aneinandergrenzenden Verstärkungsglieder 310) ein Stützelement 316 untergebracht sein. In vielfältigen Ausführungsbeispielen kann jedes Stützelement 316 eine hartverlötete oder verschweisste Stützkugel oder eine ähnliche Geometrie beinhalten, z.B. ein im Wesentlichen abgerundetes Hartlot- oder Schweisselement, das anhand eines Metalls, wie beispielsweise Silber, Gold, Palladium, Kupfer, Zink, Kobalt, Nickel und/oder Legierungen eines oder mehrerer dieser Metalle ausgebildet ist. Wie im Vorliegenden näher erläutert, kann mindestens ein
6 Stützelement 316 eine Zumess-Struktur (z.B. Zumess-Strukturen 338, wie anhand Fig. 5 gezeigt und beschrieben) beinhalten.
[0050] Indem (mit weiterem Bezug auf Fig. 4) wieder auf Fig. 3 eingegangen wird, kann der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern 310 mehrere Verstärkungsfinger 320, einen Satz von radial innenliegenden Windungen 322 zwischen benachbarten Verstärkungsfingern 320 und einen Satz von radial aussenliegenden Windungen 324 zwischen benachbarten Verstärkungsfingern 320 beinhalten. Es leuchtet ein, dass sich aufgrund der Serpentinenstruktur der Verstärkungsglieder 310 in manchen Fällen keine radial innen liegende Windung 322 mit denselben Verstärkungsfingern 320 als eine radial aussen liegende Windung 324 vereinigen wird. D.h. jeder Verstärkungsfinger 320 wird mit einer einzigen radial innenliegenden Windung 322 und einer einzigen radial aussen liegenden Windung 324 verbunden sein.
[0051 ] Auf jeden Fall kann in manchen Fällen, wie mit Bezug auf Fig. 3 und Fig. 6 gezeigt, wenigstens eine der radial aussenliegenden Windungen 324 in dem Satz von radial aussenliegenden Windungen 324 ein nicht asymmetrisches Bogenmerkmal 326 aufweisen, so dass die benachbarten Verstärkungsfinger 320 an einem radial äussersten Abschnitt 328 der Windung (nämlich der äusseren Windung 324) durch einen ersten Abstand (dl) getrennt sind und an einem radial innenliegenden Abschnitt 330 der Windung (nämlich derselben äusseren Windung 324) durch einen zweiten Abstand getrennt sind, der kleiner ist als der erste Abstand. Dieses nicht asymmetrische Bogenmerkmal 326 kann im Vergleich zu herkömmlichen Schaufelkernstützkonstruktionen zusätzliche mechanische Festigkeit vorsehen. Weiter ist klar, dass gemäss unterschiedlichen Ausführungsbeispielen mindestens eine radial innen liegende Windung 322 ein nicht asymmetrisches Bogenmerkmal 326 aufweisen kann, wie es hier mit Bezug auf die radial aussen liegende(n) Windung (en) 324 beschrieben ist.
[0052] Fig. 5 zeigt eine vergrösserte perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Kernstruktur 300, die den Anströmkantendurchlasskanal 304 aufweist. Mit weiterem Bezug auf Fig. 3 sind die Öffnung 218 an der Anströmkante 208 und der Anströmkantendurchlasskanal 304 in vielfältigen Ausführungsbeispielen näher an der Basis 212 als an einer radialen Spitze 334 des Schaufelblatts 202 angeordnet. Wie hier beschrieben, befindet sich die Basis 212 in Bezug auf das Schaufelblatt 202 radial innen, und in manchen Fällen sind der Anströmkantendurchlasskanal 304 und die Öffnung 218 gegenüber einer radialen Mittellinie (MLr) des Schaufelblatts 202 radial innen angeordnet.
[0053] Wie in Fig. 5 gezeigt, kann der Kern 300 ausserdem einen sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanal aufweisen 336, der mit der Öffnung 218 an der Anströmkante 208 und mit dem Anströmkantendurchlasskanal 304 strömungsmässig verbunden ist. D.h. das Kühlfluid, das über das radial innenliegende Ende 312 (in der Nähe der Basis 212) in den Kern 300 eintritt, ist in der Lage, durch den sich radial erstreckenden Durchlasskanal 336 und durch den Anströmkantendurchlasskanal 304 zu strömen, um durch die Öffnung 218 an der Anströmkante 208 auszutreten. Der sich zumindest teilweise radial erstreckende Durchlasskanal 336 kann ferner einen Satz von Zumess-Strukturen 338 aufweisen, um eine Kühlfluidmenge, die die Öffnung 218 an der Anströmkante 208 verlässt (und eine Strömungsrate des Kühlfluids durch den Anströmkantendurchlasskanal 304) zu modulieren. Diese Zumess-Strukturen 338 können Vorsprünge, Öffnungen, Schlitze und dergleichen beinhalten, die dazu dienen, den Strom des Kühlfluids durch den sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanal 336 zu unterbrechen. In manchen Fällen können diese Zumess-Strukturen 338 eine oder mehrere ausgekehlte oder kegelig zulaufende Stützen beinhalten, die sich über den sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanal 336 erstrecken. In vielfältigen Ausführungsbeispielen erstrecken sich diese ZumessStrukturen 338 zumindest teilweise axial über den sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanal 336. In vielfältigen Ausführungsbeispielen sind zwischen benachbarten Zumess-Strukturen 338 entlang des sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanals 336 radial Räume 340 verteilt.
[0054] Weiter gestattet die Schaufel 200, wie hier beschrieben, in einer Turbine, z.B. in einer Gasturbine, die die Schaufel 200 verwendet, höhere Zündtemperaturen. Die Schaufel 200 kann ausserdem ermöglichen, das durch ihren Kern 300 strömende Fluid zuzumessen.
[0055] Das Schaufelinnenkernprofil ist durch einen eindeutigen geometrischen Ort von Punkten definiert, die in der Lage sind, den erforderlichen Anforderungen der Struktur und Kühlung zu entsprechen, durch die eine Steigerung der Turbinenleistung erzielt wird. Diese Punkte eines eindeutigen geometrischen Orts definieren das innere nominale Kernprofil und sie sind durch die kartesischen x-, y- und z-Koordinaten der nachfolgenden Tabelle I identifiziert. Die 3700 Punkte für die in Tabelle I gezeigten Koordinaten betreffen eine kalte, d.h. Raumtemperatur aufweisende Schaufel an unterschiedlichen Querschnitten der Schaufel über ihre gesamte Länge. Die positive x-, y- bzw. z-Richtung ist in Richtung des Auslassendes der Turbine axial, in der Richtung der Triebwerksrotation von hinten betrachtet tangential und in Richtung der Schaufelspitze radial nach aussen gerichtet. Die x- und y-Koordinaten sind in Längeneinheiten vorgegeben, z.B. Einheiten von Zoll, und sie sind an jedem z-Ort stetig verbunden, um einen stetigen fortlaufenden Innenkernprofilquerschnitt zu bilden. Die z-Koordinaten sind dimensionslos von 0 bis 1 vorgegeben, das Innenkernprofil der Schaufel wird berechnet, indem die Schaufelblatthöhenabmessung, z.B. in Zoll, mit dem dimensionslosen z-Wert von Tabelle I multipliziert wird. Jeder definierte Innenkernprofilabschnitt in der x-, y-Ebene ist in z-Richtung stetig mit benachbarten Profilabschnitten verbunden, um das vollständige Schaufelinnenkernprofil zu bilden.
[0056] Für die Berechnung des Innenkernprofils der Schaufel sind die Werte der Tabelle I auf fünf Dezimalstellen genau erzeugt und gezeigt. Es sind typische Herstellungstoleranzen sowie Beschichtungen vorhanden, die in dem tatsächlichen Innenprofil der Schaufel zu berücksichtigen sind. Dementsprechend betreffen die Werte für das in Tabelle 1 vorgegebene
7 Profil ein nominales Schaufelinnenkernprofil. Es leuchtet daher ein, das typische +/- Herstellungstoleranzen, d.h. +/-Werte, einschliesslich irgendwelcher Beschichtungsstärken zu den in der folgenden Tabelle I vorgegebenen x- und y-Werten zu addieren sind. Dementsprechend definiert eine Herstellungstoleranz von (dimensionslos) plus oder minus 0,005 in einer zu jedem Oberflächenort entlang des Innenkernprofils senkrechten Richtung für diese spezielle Schaufelkonstruktion bzw. Turbine eine Innenkernprofilhüllkurve, d.h. einen Variationsbereich zwischen gemessenen Punkten an dem tatsächlichen Innenkernprofil bei nominaler kalter bzw. Raumtemperatur und der idealen Position jener Punkte, wie sie in der folgenden Tabelle I bei derselben Temperatur vorgegeben sind. Das Innenkernprofil ist gegenüber diesem Variationsbereich ohne eine Verschlechterung von mechanischen Funktionen und Kühlfunktionen robust.
[0057] Mit dem Ursprung an einer Unterseite eines vordersten oder stromaufwärts gelegenen Anströmkanteneinlasses 360 angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt, kann sich die x-Achse entlang einer Sehne des Schaufelblatts 202 und/oder des Kerns 300 und/oder im Wesentlichen parallel zu der Linie C-C erstrecken, und zwar so, dass die y-Achse orthogonal zu der x-Achse im Wesentlichen in Umfangsrichtung in Fig. 3 hinein verlaufen kann, und die z-Achse kann sich dann ausgehend von dem Schnittpunkt der x- und y-Achse im Wesentlichen radial erstrecken. Jede beliebige andere geeignete Ausrichtung der Achsen relativ zu dem Schaufelblatt 202 kann verwendet werden, solange eine solche Ausrichtung in den sich ergebenden Koordinaten berücksichtigt wird. In Ausführungsbeispielen kann das Koordinatensystem, das das Profil definiert, auf seiner eigenen Geometrie basieren und kann somit verwendet werden, um ein Schaufelblatt mit dem beschriebenen Profil unabhängig von seinem Ort hervorzubringen.
[0058] Die in der folgenden Tabelle I vorgegebenen Koordinaten schaffen die bevorzugte nominale Innenkernprofilhüllkurve.
8 TABELLE I [0059]
N X Y Z
1 0,00000 0,00000 0,00000
2 0,00004 0,00857 0,00000
3 0, 00077 0,00857 0,00000
4 0,00081 0,01714 0,00000
5 0,00147 0,01713 0 00000
6 0,00156 0,02570 0,00000
7 0,00352 0,02544 0,00000
8 0,00369 0,03398 0,00000
9 0,00836 0,03246 0,00000
10 0,00872 0,04088 0,00000
11 0,01553 0,03706 0,00000
12 0,01599 0,04533 0,00000
13 0,02392 0,03876 0,00000
14 0,02441 0,04687 0,00000
15 0,03251 0,03874 0,00000
16 0,03300 0,04683 0, 00000
17 0,04111 0,03874 0,00000
18 0,04159 0,04683 0,00000
19 0,04970 0,03874 0,00000
20 0,05020 0,04683 0,00000
21 0,05830 0,03874 0, 00000
22 0,05879 0,04683 0,00000
23 0,06690 0,03874 0,00000
24 0,06738 0,04683 0,00000
25 0,07549 0,03874 0,00000
26 0,07598 0,04683 0,00000
27 0,08408 0,03874 0,00000
28 0,08458 0,04683 0, 00000
29 0,09268 0,03874 0,00000
30 0,09317 0,04683 0,00000
31 0,10128 0,03874 0,00000
32 0,10177 0,04683 0,00000 33 0,10987 0,03874 0 00000
Dimensionslos [x y z / Spannweite Höhe]
9 34 0, 11036 0,04683 0, 00000
35 0,11847 0,03874 0,00000
36 0,11895 0,04683 0,00000
37 0,12706 0,03874 0,00000
38 0, 12756 0,04683 0, 00000
39 0,13566 0,03874 0,00000
40 0,13615 0,04683 0,00000
41 0,14426 0,03874 0,00000
42 0,14474 0,04683 0,00000
43 0,15285 0,03874 0, 00000
44 0,15334 0,04683 0,00000
45 0,16144 0,03874 0,00000
46 0,16194 0,04683 0,00000
47 0,17005 0,03874 0,00000
48 0, 17053 0, 04683 0, 00000
49 0,17864 0,03874 0, 00000
50 0,17913 0,04683 0,00000
51 0,18723 0,03874 0,00000
52 0,18772 0, 04683 0,00000
53 0,19583 0,03874 0,00000
54 0,19632 0,04683 0,00000
55 0,20443 0,03874 0,00000
56 0,20492 0,04683 0,00000
57 0,21302 0,03874 0, 00000
58 0,21351 0, 04683 0, 00000
59 0,22162 0,03874 0,00000
60 0,22211 0,04683 0,00000
61 0,23021 0,03874 0,00000
62 0,23070 0, 04683 0,00000
63 0,23880 0, 03874 0,00000
64 0,23930 0,04683 0,00000
65 0,24741 0,03874 0,00000
66 0,24790 0,04683 0, 00000
67 0,25600 0, 03874 0, 00000
68 0,25649 0,04683 0, 00000
69 0,26460 0,03874 0, 00000
70 0,26508 0,04683 0,00000
71 0,27319 0,03874 0,00000
72 0,27369 0, 04683 0, 00000
73 0,28179 0,03874 0, 00000
74 0,28228 0,04683 0,00000
75 0,29039 0,03874 0,00000
76 0,29087 0, 04683 0,00000
77 0,29898 0,03874 0, 00000 78 0,29947 0,04683 0,00000
10 79 0,30757 0,03874 0,00000
80 0,30807 0, 04683 0, 00000
81 0,31617 0,03874 0,00000
82 0,31666 0, 04683 0,00000
83 0,32477 0,03874 0,00000
84 0,32526 0, 04683 0,00000
85 0,33336 0,03874 0,00000
86 0,33385 0,04683 0,00000
87 0,34196 0, 03875 0,00000
88 0,34245 0, 04683 0, 00000
89 0,35038 0, 03725 0,00000
90 0,35083 0, 04518 0,00000
91 0,35764 0, 03279 0, 00000
92 0,35800 0,04055 0,00000
93 0,36267 0,02589 0,00000
94 0,36284 0,03353 0,00000
95 0,36481 0, 01761 0, 00000
96 0,36489 0,02522 0,00000
97 0,36556 0, 00905 0,00000
98 0,36559 0,01665 0,00000
99 0,36632 0, 00048 0,00000
100 0,36636 0,00809 0,00000
1 0, 00021 0,00508 0,02777
2 0, 00030 0, 00325 0,02777
3 0,00047 0,01340 0,02777
4 0,00111 0,01156 0,02777
5 0,00154 0,02167 0,02777
6 0, 00365 0,01948 0,02777
7 0,00465 0,02938 0,02777
8 0, 00855 0,02619 0,02777
9 0, 01009 0,03565 0,02777
10 0, 01543 0,03082 0,02777
11 0, 01737 0,03962 0,02777
12 0, 02353 0,03254 0,02777
13 0, 02560 0, 04066 0,02777
14 0,03188 0,03254 0,02777
15 0,03395 0,04063 0,02777
16 0,04023 0, 03254 0,02777
17 0, 04230 0, 04063 0,02777
18 0,04858 0,03254 0,02777
19 0,05064 0,04063 0,02777
20 0, 05693 0, 03254 0,02777
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53 0,19016 0,03491 0 , 16666
54 0,19127 0,04310 0 , 16666
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93 0,31124 0, 08193 1, 00000
94 0,31420 0, 08996 1, 00000
95 0,31429 0, 12732 1,00000
96 0,31711 0,09800 1,00000
97 0,32001 0,10606 1,00000
98 0,32193 0,12927 1, 00000
99 0,32286 0,11412 1,00000 100 0,32554 0,12225 1,00000
[0060] Es ist ebenfalls klar, dass die in der obigen Tabelle offenbarte Schaufel für die Verwendung in anderen ähnlichen Turbinenkonstruktionen geometrisch aufwärts oder abwärts skaliert werden kann. Folglich können die in Tabelle 1 unterbreiteten Koordinaten aufwärts oder abwärts skaliert werden, so dass die Innenprofilgestalt der Schaufel unverändert bleibt. Eine skalierte Abwandlung der Koordinaten in Tabelle 1 würde durch x-, y- und z-Koordinatenwerte von Tabelle 1 dargestellt werden, wobei die dimensionslosen x-, y- und z-Koordinatenwerte beispielsweise in Zoll umgewandelt, mit einer konstanten Zahl multipliziert und/oder durch eine konstante Zahl dividiert würden.
[0061 ] Mit Bezug auf Fig. 7 ist eine schematische Ansicht von Abschnitten eines Mehrwellen-Kombinationszykluskraftwerks 900 gezeigt. Das Kombinationszykluskraftwerk 900 kann beispielsweise eine Gasturbine 980 beinhalten, die betriebsmässig mit einem Generator 970 verbunden ist. Der Generator 970 und die Gasturbine 980 können mechanisch über eine Welle 915 verbunden sein, die zwischen einer (nicht gezeigten) Antriebswelle der Gasturbine 980 und dem Generator 970 Energie übertragen kann. Ausserdem ist in Fig. 7 ein Wärmetauscher 986 gezeigt, der betriebsmässig mit der Gasturbine 980 und einer Dampfturbine 992 verbunden ist. Der Wärmetauscher 986 kann mittels (nicht bezeichneter) herkömmlicher Leitungen strömungsmässig sowohl mit der Gasturbine 980 als auch mit der Dampfturbine 992 verbunden sein. Die Gasturbine 980 und/oder die Dampfturbine 992 können, wie mit Bezug auf Fig. 2 und/oder auf andere hier beschriebene Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben, eine oder mehrere Schaufeln 200 enthalten. Der Wärmetauscher 986 kann ein herkömmlicher Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG) sein, wie er in herkömmlichen Kombinationszykluskraftwerken genutzt wird. Wie aus dem Stand der Technik der Leistungserzeugung bekannt kann der HRSG 986 heisses Abgas von der Gasturbine 980 in Verbindung mit einer Wasserzufuhr verwenden, um Dampf zu erzeugen, der der Dampfturbine 992 zugeführt wird. Die Dampfturbine 992 kann optional (über eine zweite Welle 915) mit einem zweiten Generatorsystem 970 verbunden sein. Es leuchtet ein, dass Generatoren 970 und Wellen 915 eine beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Grösse oder Bauart aufweisen können und in Abhängigkeit von ihrer Anwendung oder dem System, mit dem sie verbunden sind, unterschiedlich sein können. Gemeinsame Bezugszeichen der Generatoren und Wellen dienen der Übersichtlichkeit und bedeuten nicht unbedingt, dass diese Generatoren oder Wellen identisch sind. In einer in Fig. 8 gezeigten weiteren Ausführungsform kann ein Einzelwellen-Kombinationszykluskraftwerk 990 einen einzelnen Generator 970 enthalten, der über eine einzige Welle 915 sowohl mit der Gasturbine 980 als auch mit der Dampfturbine 992 verbunden ist. Die Dampfturbine 992 und/oder die Gasturbine 980 können eine oder mehrere Schaufeln 200 aufweisen, wie sie mit Bezug auf Fig. 2 und/oder andere hier beschriebene Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben sind.
[0062] Die Einrichtungen und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf irgendwelche speziellen Maschinen, Turbinen, Strahltriebwerke, Generatoren, Stromerzeugungssysteme oder sonstige Systeme beschränkt und können in Verbindung mit anderen Luftfahrzeugsystemen, Stromerzeugungssystemen und/oder Systemen (wie Kombizyklus-, Ein-
91 fachzyklus-, Kernreaktor- und sonstigen Systemen) verwendet werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemässe Einrichtung in Verbindung mit hier nicht beschriebenen anderen Systeme genutzt werden, die Vorteile aus dem zusätzlich reduzierten Spitzenleckstrom und dem gesteigerten Wirkungsgrad der hier beschriebenen Vorrichtungen ziehen können.
[0063] In vielfältigen Ausführungsbeispielen können als miteinander «verbunden» beschriebene Bauteile entlang einer oder mehrerer Grenzflächen vereinigt sein. In einigen Ausführungsbeispielen können diese Grenzflächen Verbindungsstellen zwischen gesonderten Bauteilen beinhalten, und in anderen Fällen können diese Grenzflächen eine massiv und/ oder einstückig ausgebildete Verbindung beinhalten. D.h. in manchen Fällen können Bauteile, die miteinander «verbunden» sind, gemeinsam ausgebildet sein, um ein einstückiges kontinuierliches Glied zu definieren. Allerdings können diese verbundenen Bauteile in anderen Ausführungsbeispielen als gesonderte Elemente ausgebildet sein und in diesem Fall durch bekannte Verfahren (z.B. lösbare Verbindung, Ultraschallschweissen, Kleben) verbunden sein.
[0064] Die hier verwendete Terminologie dient lediglich zur Vereinfachung der Erläuterung spezieller Ausführungsbeispiele; sie ist nicht beschränkend. In dem hier verwendeten Sinne sollen die Singularformen unbestimmter oder bestimmter Artikel auch die Mehrzahlformen einschliessen, sofern aus dem Zusammenhang nicht ausdrücklich Entgegenstehendes hervorgeht. Die Begriffe «aufweisen», «umfassen» «enthalten» und dergleichen sind einschliesslich und spezifizieren daher das Vorhandensein genannter Merkmale, Integerzahlen, Schritte, Arbeitsschritte, Elemente und/oder Bauteile, schliessen jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung einzelner oder mehrerer sonstiger Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Arbeitsschritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse und hier beschriebene Arbeitsschritte sind nicht unbedingt in der erörterten oder veranschaulichten speziellen Reihenfolge durchzuführen, es sei denn diese ist speziell als eine Reihenfolge der Durchführung festgelegt. Weiter versteht sich, dass zusätzliche oder abgewandelte Schritte verwendet werden können.
[0065] Wenn ein Element oder eine Schicht als «auf», «in Eingriff/Berührung mit», «verbunden mit» oder «gekoppelt mit» einem weiteren Element oder einer weiteren Schicht bezeichnet ist, kann das Element oder die Schicht unmittelbar auf, in Eingriff/Berührung mit, verbunden oder gekoppelt mit dem anderen Element oder der Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als «unmittelbar auf» «unmittelbar in Eingriff/Berührung mit», «unmittelbar verbunden mit» oder «unmittelbar gekoppelt mit» einem weiteren Element oder einer weiteren Schicht bezeichnet ist, können keine dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Begriffe, die verwendet sind, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben (z.B. «zwischen» gegenüber «unmittelbar zwischen», «benachbart» gegenüber «unmittelbar benachbart» und dergleichen), sollten in ähnlicher Weise verstanden werden. In dem hier verwendeten Sinne beinhaltet der Begriff «und/oder» ein oder mehrere der zugeordneten aufgelisteten Elemente sowie sämtliche Kombinationen davon.
[0066] Räumlich relative Begriffe, z.B. «innen», «aussen», «unterhalb», «unten», «weiter unten», «oberhalb», «weiter oben» und dergleichen können im Vorliegenden zur Vereinfachung der Erläuterung verwendet sein, um die in den Figuren veranschaulichte Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem (oder mehreren) anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben. Räumlich relative Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtung andere Ausrichtungen der Vorrichtung im Einsatz oder Betrieb umfassen. Falls die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung beispielsweise auf den Kopf gestellt wird, werden Elemente, die als «unten» oder «unterhalb von» anderen Elementen oder Merkmalen angeordnet beschrieben sind, «oberhalb» der anderen Elemente oder Merkmale angeordnet sein. Somit kann beispielsweise der Begriff «unterhalb» sowohl eine Lage oberhalb als auch unterhalb umfassen. Die Vorrichtung kann in sonstiger Weise (um 90 Grad gedreht oder in anderen Lagen) ausgerichtet sein, und die hier verwendeten räumlich relativen Bezeichnungen können entsprechend interpretiert werden.
[0067] Die vorausgehende Beschreibung unterschiedlicher Aspekte der Erfindung wurde für Zwecke der Veranschaulichung und Erläuterung unterbreitet. Die Beschreibung ist weder als erschöpfend zu bewerten, noch soll sie die Erfindung auf die beschriebene genaue Ausführungsform beschränken, und es sind offensichtlich viele Modifikationen und Änderungen möglich. Solche Modifikationen und Änderungen, die sich einem Fachmann erschliessen können, fallen in den Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
[0068] Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschliesslich der besten Ausführungsart zu beschreiben und um ausserdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, 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 Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die nur unwesentlich von dem Wortsinn der Ansprüche abweichen.
[0069] Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beinhalten Turbinenschaufeln und Systeme, die derartige Schaufeln verwenden. Verschiedene spezielle Ausführungsformen beinhalten eine Turbinenschaufel, zu der gehören: eine Basis; und ein Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des
92 strömungsmässig verbunden ist.
Bezugszeichenliste
[0070]
Turbine 10
Rotor 12 rotierende Welle 14
Laufräder 18
Schaufeln 20
Zwischenwand 21
Laufschaufeln (oder Leitschaufeln) 22
Gas 24
Einlass 26
Turbinenschaufel 200
Schaufelblatt 202
Gehäuse 203
Saugseite 204
Druckseite 206
Anströmkante 208
Abströmkante 210
Basis 212
Hohlkehle 214 erstes Ende 215
Öffnung 218
Kernstruktur 300
Serpentinengestalt 302
Anströmkantendurchlasskanal 304
Verstärkungsglieder 310 radial innenliegendes Ende 312
Stützelementschächte (oder Schlitze) 314 Stützelement 316
Verstärkungsfinger 320 innere Windungen 322 äussere Windungen 324
Bogenmerkmal 326 äusserster Abschnitt 328 innerer Abschnitt 330
Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante des Gehäuses
93

Claims (10)

  1. Durchlasskanal 336 Zumess-Strukturen 338 Einlass 360 Kombinationszykluskraftwerk 900 Welle 915 Generator 970 Gasturbine 980 Wärmetauscher 986 Dampfturbine 992 Patentansprüche 1. Turbinenschaufel mit: einer Basis; und einem Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante des Gehäuses strömungsmässig verbunden ist.
  2. 2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 , wobei der serpentinenförmig gestaltete Kern aufweist: einen Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern, die sich in dem Gehäuse im Wesentlichen radial erstrecken; und einen Satz von Stützelementschächten in der Nähe eines Endes des Satzes von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern zum Tragen eines Stützelements.
  3. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, ferner mit einem Stützelement in jedem Stützelementschacht, wobei das Stützelement eine hartverlötete oder verschweisste Stützkugel beinhaltet; und/oder wobei der Satz von Stützelementschächten radial innerhalb des Satzes von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern angeordnet ist; und/oder wobei der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern im Wesentlichen einheitlich ist.
  4. 4. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei der Satz von aneinandergrenzenden Verstärkungsgliedern aufweist: mehrere Verstärkungsfinger; einen Satz von radial innenliegenden Windungen zwischen benachbarten Verstärkungsfingern; und einen Satz von radial aussenliegenden Windungen zwischen benachbarten Verstärkungsfingern, wobei wenigstens eine der radial aussenliegenden Windungen in dem Satz von radial aussenliegenden Windungen ein nicht asymmetrisches Bogenmerkmal aufweist, so dass die benachbarten Verstärkungsfinger an einem radial äussersten Abschnitt der Windung durch einen ersten Abstand getrennt sind und an einem radial innenliegenden Abschnitt der Windung durch einen zweiten Abstand getrennt sind, der kleiner ist als der erste Abstand.
  5. 5. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 , wobei die Turbinenschaufel ein nominales Innenkernprofil aufweist, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von x, y und z entspricht, die in Tabelle I unterbreitet sind, wobei die z-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplikation der z-Werte mit einer Höhe der Schaufel in Zoll in z-Abstände in Zoll umgewandelt werden können, und wobei x und y dimensionslose Werte sind, die, wenn sie durch stetige fortlaufende Bögen verbunden werden, bei jedem Abstand z entlang der Schaufel Innenkernprofilabschnitte definieren, wobei die Profilabschnitte an den z-Abständen miteinander stetig vereinigt sind, um das Innenkernprofil der Schaufel zu bilden.
  6. 6. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 , wobei die Öffnung an der Anströmkante und der Anströmkantendurchlasskanal in dem Kern näher an der Basis als an einer radialen Spitze des Schaufelblatts angeordnet sind; und/oder wobei sich die Basis in Bezug auf das Schaufelblatt radial innen befindet; und/oder wobei sich der Kern von der Basis zu dem Schaufelblatt erstreckt.
  7. 7. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 , wobei der Kern ausserdem einen sich zumindest teilweise radial erstreckenden Durchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante strömungsmässig verbunden ist. 94
  8. 8. Turbinenschaufel nach Anspruch 7, wobei der sich zumindest teilweise radial erstreckende Durchlasskanal einen Satz von Zumess-Strukturen aufweist, um eine Arbeitsfluidmenge zu modulieren, die in die Öffnung an der Anströmkante und in den Anströmkantendurchlasskanal eintritt.
  9. 9. Turbinenlaufradabschnitt, zu dem gehören: ein Satz von Schaufeln, wobei der Satz von Schaufeln mindestens eine Schaufel enthält, zu der gehören: eine Basis; und ein Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante des Gehäuses strömungsmässig verbunden ist.
  10. 10. Turbine, zu der gehören: ein Zwischenwandabschnitt; und ein Rotorabschnitt, der zumindest teilweise in dem Zwischenwandabschnitt untergebracht ist, wobei der Rotorabschnitt einen Satz von Schaufeln aufweist, der mindestens eine Schaufel enthält, die aufweist: eine Basis; und ein Schaufelblatt, das an einem ersten Ende des Schaufelblatts mit der Basis verbunden ist, wobei das Schaufelblatt aufweist: ein Gehäuse, zu dem gehören: eine Saugseite; eine Druckseite, die der Saugseite gegenüberliegt; eine Anströmkante, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt; und eine Abströmkante, die der Anströmkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, wobei das Gehäuse an der Anströmkante eine Öffnung aufweist; und einen Kern in dem Gehäuse, wobei der Kern eine Serpentinengestalt zum Stützen des Gehäuses und einen Anströmkantendurchlasskanal aufweist, der mit der Öffnung an der Anströmkante des Gehäuses strömungsmässig verbunden ist, wobei die wenigstens eine Schaufel ein nominales Innenkernprofil aufweist, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von x, y und z entspricht, die in Tabelle I unterbreitet sind, wobei die z-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplikation der z-Werte mit einer Höhe der Schaufel in Zoll in z-Abstände in Zoll umgewandelt werden können, und wobei x und y dimensionslose Werte sind, die, wenn sie durch stetige fortlaufende Bögen verbunden werden, Innenkernprofilabschnitte bei jedem Abstand z entlang der Schaufel definieren, wobei die Profilabschnitte an den z-Abständen miteinander stetig vereinigt sind, um das Innenkernprofil der Schaufel zu bilden. 95
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