CH709047A2 - Turbinenschaufel und Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel einer Gasturbine. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (80) für eine Gasturbine. Die Turbinenschaufel (80) enthält eine Plattform (86), ein Schaufelblatt (82), das sich radial aussen von der Plattform (86) erstreckt, und eine Anzahl von Kühldurchgängen (94), die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts (82) definiert sind. Wenigstens einer der Kühldurchgänge (94) erstreckt sich radial bis zu einem Auslass (98), der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts (82) radial innen von einem Spitzenende (90) der Turbinenschaufel (80) definiert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel (80) einer Gasturbine.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent betreffen allgemein Gasturbinen und betreffen insbesondere eine Turbinenschaufel und ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel einer Gasturbine bei hohen Betriebstemperaturen.

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG

[0002] Demgemäss betrifft ein Aspekt der Erfindung eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel aufweist: eine Plattform; ein Schaufelblatt, das sich radial aussen von der Plattform erstreckt; und mehrere Kühldurchgänge, die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.

[0003] Die Turbinenschaufel kann ferner einen Schaft aufweisen, der sich von der Plattform aus radial nach innen erstreckt, wobei sich der wenigstens eine der Kühldurchgänge von einem Einlass aus, der in einer Aussenfläche des Schafts definiert ist, radial erstreckt.

[0004] Die Turbinenschaufel einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Schaft, der sich von der Plattform aus radial nach innen erstreckt, und einen Kühlhohlraum aufweisen, der wenigstens teilweise innerhalb des Schafts definiert ist, wobei sich der wenigstens eine der Kühldurchgänge von dem Kühlhohlraum aus radial erstreckt.

[0005] Der wenigstens eine der Kühldurchgänge einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann an einer Verbindungsstelle, die innerhalb der Plattform positioniert ist, mit dem Kühlhohlraum in Verbindung stehen.

[0006] Der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann in einer Druckseitenoberfläche des Schaufelblatts definiert sein.

[0007] Der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann in einer Saugseitenoberfläche des Schaufelblatts definiert sein.

[0008] Jeder der Kühldurchgänge einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann sich radial bis zu einem Auslass erstrecken, der in der Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von dem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.

[0009] Der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann in der Aussenfläche des Schaufelblatts an einer Stelle zwischen 50% und 70% einer radialen Länge des Schaufelblatts von der Plattform aus definiert sein.

[0010] Ein Abschnitt des Schaufelblatts einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenschaufel, der sich über zwischen 70% und 100% der radialen Länge von der Plattform aus erstreckt, kann massiv sein.

[0011] Ein Abschnitt des Schaufelblatts, der sich von dem Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge aus radial nach aussen erstreckt, kann massiv sein.

[0012] Die Turbinenschaufel einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein Spitzendeckband aufweisen, das sich von dem Schaufelblatt aus radial nach aussen erstreckt, wobei das Spitzendeckband massiv ist.

[0013] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel, die in einer Gasturbine verwendet wird, das aufweist: Durchleiten einer Strömung eines Kühlfluids durch mehrere Kühldurchgänge, die wenigstens teilweise innerhalb eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist; und Ausgeben der Kühlfluidströmung durch den Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge und in einen Heissgaspfad hinein.

[0014] Das Verfahren kann aufweisen, dass das Ausgeben der Kühlfluidströmung durch den Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge ein Ausgeben der Kühlfluidströmung entlang einer Druckseitenoberfläche des Schaufelblatts aufweist.

[0015] Jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner aufweisen, dass das Ausgeben der Kühlfluidströmung durch den Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge ein Ausgeben der Kühlfluidströmung entlang einer Saugseitenoberfläche des Schaufelblatts aufweist.

[0016] Jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner aufweisen, dass das Ausgeben der Kühlfluidströmung durch den Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge ein Ausgeben der Kühlfluidströmung an einer Stelle zwischen 50% und 70% einer radialen Länge des Schaufelblatts von einer Plattform der Turbinenschaufel aus aufweist.

[0017] Eine Gasturbine weist auf: einen Verdichter; eine Brennkammer in Verbindung mit dem Verdichter; und eine Turbine in Verbindung mit der Brennkammer, wobei die Turbine mehrere Turbinenschaufeln aufweist, die in einer Umfangsanordnung angeordnet sind, wobei jede der Turbinenschaufeln aufweist: eine Plattform; ein Schaufelblatt, das sich radial aussen von der Plattform erstreckt; und mehrere Kühldurchgänge, die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.

[0018] Der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge kann in einer Druckseitenoberfläche des Schaufelblatts definiert sein.

[0019] Der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge kann in einer Saugseitenoberfläche des Schaufelblatts definiert sein.

[0020] Der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge kann in der Aussenfläche des Schaufelblatts an einer Stelle zwischen 50% und 70% einer radialen Länge von der Plattform aus definiert sein.

[0021] Ein Abschnitt des Schaufelblatts, der sich von dem Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge aus radial nach aussen erstreckt, kann massiv sein.

[0022] In einer Gasturbine können heisse Verbrennungsgase im Allgemeinen von einer oder mehreren Brennkammern durch ein Übergangsstück und entlang eines Heissgaspfads einer Turbinen strömen. Mehrere Turbinenstufen können typischerweise in Reihe entlang des Heissgaspfads angeordnet sein, so dass die Verbrennungsgase durch Leitschaufeln und Laufschaufeln der ersten Stufe und anschliessend durch Leitschaufeln und Laufschaufeln weiterer Stufen der Turbine strömen. Auf diese Weise können die Leitschaufeln die Verbrennungsgase in Richtung entsprechender Laufschaufeln lenken, wodurch sie bewirken, dass sich die Schaufeln drehen und eine Last, wie z.B. einen elektrischen Generator und dergleichen, antreiben. Die Verbrennungsgase können zwischen umlaufenden Deckbändern/Mantelringen enthalten sein, die die Schaufeln umgeben, was ebenfalls beim Leiten der Verbrennungsgase entlang des Heissgaspfads unterstützen kann. Auf diese Weise können die Turbinenleitschaufein, -laufschaufeln und Deckbänder/Mantelringe hohen Temperaturen ausgesetzt sein, die daraus resultieren, dass die heissen Verbrennungsgase entlang des Heissgaspfads strömen, was die Bildung von heissen Stellen (Hot Spots) und hohe thermische Belastungen in diesen Komponenten zur Folge haben kann. Da die Effizienz einer Gasturbine von ihrer Betriebstemperatur abhängt, gibt es stets einen andauernden Bedarf danach, dass Komponenten, die entlang des Heissgaspfads angeordnet sind, wie z.B. Turbinenlaufschaufeln, in der Lage sind, ohne Ausfall oder Verkürzung ihrer Nutzungsdauer zunehmend höheren Temperaturen standzuhalten.

[0023] Bestimmte Turbinenschaufeln können einen oder mehrere Durchgänge enthalten, die zu Kühlungszwecken in der Turbinenschaufel definiert sind. Die Kühldurchgänge können beispielsweise in dem Schaufelblatt, der Plattform, dem Schaft und/oder dem Spitzendeckband der Turbinenschaufel definiert sein, abhängig von spezifischen Kühlanforderungen der Laufschaufel, wie sie von Stufe zur Stufe der Turbine variieren können. Gemäss bestimmten Konfigurationen können Kühldurchgänge innerhalb von Bereichen definiert sein, die sich nahe an einer Heissgaspfadoberfläche der Turbinenschaufel befinden. Auf diese Weise können die Kühldurchgänge für einen Wärmeaustausch ein Kühlfluid, wie z.B. Verdichterauslass- oder -entnahmeluft durch gewünschte Bereiche der Turbinenschaufel befördern, um die Temperatur der Bereiche innerhalb eines akzeptablen Bereichs aufrechtzuerhalten.

[0024] Gemäss einer bekannten Konfiguration kann die Turbinenschaufel mehrere lange, gerade Kühldurchgänge aufweisen, von denen sich jeder von dem Fussende bis zu dem Spitzenende der Turbinenschaufel erstreckt. Die Kühldurchgänge können mithilfe vielfältiger Verfahren, wie z.B. durch Bohren, gebildet werden. Vom Fuss zur Spitze verlaufende Kühldurchgänge, die durch Bohren geschaffen werden, sind jedoch auf einen geraden Weg durch die Turbinenschaufel beschränkt. Dementsprechend kann eine Variation der dreidimensionalen Form der Turbinenschaufel, insbesondere ihres Schaufelblattabschnitts, aufgrund der Notwendigkeit, eine gerade Sichtlinie für jeden der Kühldurchgänge, die sich dadurch radial erstrecken, aufzunehmen und eine minimale Wanddicke aufrechtzuerhalten, begrenzt sein. Aufgrund der aerodynamischen Gestalt des Schaufelblatts kann ausserdem das Anordnen der geraden Kühldurchgänge in der Nähe einer Heissgaspfadoberfläche, wie z.B. entlang der Hinterkante des Schaufelblatts, anspruchsvoll sein. Ferner kann es für lange Turbinenschaufeln aufgrund des hohen Verhältnisses von Länge zum Durchmesser der Durchgänge besonders anspruchsvoll und kostspielig sein, die Kühldurchgänge durch die gesamte Länge des Schaufelblatts zu bohren.

[0025] Gemäss einer weiteren bekannten Konfiguration kann eine Turbinenschaufel mehrere Kühldurchgänge enthalten, wovon jeder zwei gerade Abschnitte aufweist, die miteinander verbunden sind. Insbesondere kann sich ein erster Abschnitt von dem Fussende der Turbinenschaufel aus erstrecken, während sich ein zweiter Abschnitt von dem Spitzenende der Turbinenschaufel bis zu dem ersten Abschnitt erstreckt. Die beiden geraden Abschnitte des Kühldurchgangs können sich innerhalb der Plattform der Turbinenschaufel oder an sonstiger Stelle treffen. Gemäss einer noch weiteren bekannten Konfiguration kann die Turbinenschaufel mehrere gerade Kühldurchgänge enthalten, von denen sich jeder von dem Spitzenende der Turbinenschaufel bis zu einem Kühlhohlraum erstreckt, der in dem Schaft der Turbinenschaufel definiert ist. Auf diese Weise sind die Kühldurchgänge kürzer als die Länge der Turbinenschaufel. Obwohl diese Konfigurationen einige der Herausforderungen reduzieren können, die mit den vom Fuss bis zur Spitze verlaufenden Kühldurchgängen einhergehen, können sie immer noch die dreidimensionale Form des Schaufelblatts beschränken, die Kühleffektivität in gewünschten Zonen begrenzen und können bei der Herstellung anspruchsvoll und kostspielig sein.

[0026] Somit besteht ein Wunsch nach einer verbesserten Turbinenschaufel, die eine Konfiguration eines Kühldurchgangs zur Kühlung der Turbinenschaufel bei hohen Betriebstemperaturen aufweist. Insbesondere könnte solch eine Kühldurchgangkonfiguration der Turbinenschaufel, insbesondere ihrem Schaufelblattabschnitt, ermöglichen, vielfältige komplexe dreidimensionale Formen oder eine Verwindung zur Verbesserung der Aerodynamik aufzuweisen. Solch eine Kühldurchgangkonfiguration kann auch den Kühldurchgängen ermöglichen, für eine Zielkühlung des begrenzenden Bereichs des Schaufelblatts optimal angeordnet zu werden, während gleichzeitig auch Kosten und Komplexität der Herstellung der Turbinenschaufel minimiert werden. Letztendlich kann eine Kühldurchgangkonfiguration den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine und der gesamten Gasturbine verbessern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0027] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen somit eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine bereit. Die Turbinenschaufel kann eine Plattform, ein Schaufelblatt, das sich radial aussen von der Plattform erstreckt, und eine Anzahl von Kühldurchgängen enthalten, die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts definiert sind. Wenigstens einer der Kühldurchgänge kann sich radial bis zu einem Auslass erstrecken, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.

[0028] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ferner ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel, die in einer Gasturbine verwendet wird, bereit. Das Verfahren kann den Schritt des Durchleitens einer Kühlfluidströmung durch eine Anzahl von Kühldurchgängen enthalten, die wenigstens teilweise innerhalb eines Schaufelblatts der Turbinenschaufel definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstrecken kann, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Ausgebens der Kühlfluidströmung durch den Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge und in einen Heissgaspfad hinein enthalten.

[0029] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ferner eine Gasturbine bereit. Die Gasturbine kann einen Verdichter, eine Brennkammer in Verbindung mit dem Verdichter und eine Turbine in Verbindung mit der Brennkammer enthalten. Die Turbine kann eine Anzahl von Turbinenschaufeln aufweisen, die in einer Umfangsanordnung angeordnet sind. Jede der Turbinenschaufeln kann eine Plattform, ein Schaufelblatt, das sich radial aussen von der Plattform erstreckt, und eine Anzahl von Kühldurchgängen enthalten, die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts definiert sind. Wenigstens einer der Kühldurchgänge kann sich radial bis zu einem Auslass erstrecken, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.

[0030] Diese und andere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents werden Fachleuten nach Durchsicht der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0031] <tb>Fig. 1<SEP>zeigt ein schematisches Diagramm einer Gasturbine, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine enthält. <tb>Fig. 2<SEP>zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Turbine, wie sie in der Gasturbine nach Fig. 1 verwendet werden kann, unter Veranschaulichung einer Anzahl von Turbinenstufen. <tb>Fig. 3<SEP>zeigt eine Vorderansicht einer bekannten Turbinenschaufel, wie sie in der Turbine nach Fig. 2 verwendet werden kann, unter Veranschaulichung einer Anzahl von durch verdeckte Linien veranschaulichten Kühldurchgängen. <tb>Fig. 4<SEP>zeigt eine Draufsicht der Turbinenschaufel aus Fig. 3 . <tb>Fig. 5<SEP>zeigt eine Vorderansicht einer Ausführungsform einer Turbinenschaufel, wie sie hierin beschrieben sein kann und wie sie in der Turbine nach Fig. 2 verwendet werden kann, unter Veranschaulichung einer Anzahl von durch verdeckte Linien veranschaulichten Kühldurchgängen. <tb>Fig. 6<SEP>zeigt eine Draufsicht der Turbinenschaufel aus Fig. 5 . <tb>Fig. 7<SEP>zeigt eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer Turbinenschaufel, wie sie hierin beschrieben sein kann und wie sie in der Turbine aus Fig. 2 verwendet werden kann, unter Veranschaulichung einer Anzahl von Kühldurchgängen und eines Kühlhohlraums, die durch verdeckte Linien veranschaulicht sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0032] Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente in all den verschiedenen Ansichten beziehen, stellt Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine 10 dar, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet einen ankommenden Luftstrom 20. Der Verdichter 15 liefert den verdichteten Luftstrom 20 zu einer Brennkammer 25. Die Brennkammer 25 vermischt den verdichteten Luftstrom 20 mit einem unter Druck stehenden Brennstoffström 30 und zündet das Gemisch zum Erzeugen eines Stroms von Verbrennungsgasen 35. Obwohl nur eine einzelne Brennkammer 25 dargestellt ist, kann die Gasturbine 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 25 enthalten. Der Strom der Verbrennungsgase 35 wird wiederum an eine Turbine 40 geliefert, um mechanische Arbeit zu verrichten. Die in der Turbine 40 geleistete mechanische Arbeit treibt den Verdichter 15 über eine Welle 45 und eine externe Last 50, wie z.B. einen elektrischen Generator und dergleichen, an. Andere Konfigurationen und andere Komponenten können hierin verwendet werden.

[0033] Die Gasturbine 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas und/oder andere Arten von Brennstoffen nutzen. Die Gasturbine 10 kann eine von einer Anzahl unterschiedlicher Gasturbinen sein, die von General Electric Company aus Schenectady, New York, angeboten werden, einschliesslich solcher, jedoch nicht darauf beschränkt, wie der der Hochleistungs-Gasturbinen der Serien 7 und 9 und dergleichen. Die Gasturbine 10 kann unterschiedliche Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Komponenten verwenden. Andere Arten von Gasturbinen können ebenfalls hierin verwendet werden. Mehrere Gasturbinen, andere Arten von Turbinen und andere Arten von Stromerzeugungseinrichtungen können hier ebenfalls verwendet werden. Obwohl hierin die Gasturbine 10 dargestellt ist, kann die vorliegende Anmeldung auf eine beliebige Art von Turbinenmaschinen, wie z.B. eine Dampfturbine, angewendet werden.

[0034] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts der Turbine 40, einschliesslich einer Anzahl von Stufen 52, die in einem Heissgaspfad 54 der Gasturbine 10 angeordnet sind. Eine erste Stufe 56 kann eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Leitschaufeln 58 der ersten Stufe und eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Laufschaufeln 60 der ersten Stufe enthalten. Die erste Stufe 56 kann einen Mantelring 62 der ersten Stufe enthalten, der sich längs des Umfangs erstreckt und die Schaufeln 60 der ersten Stufe umgibt. Der Mantelring 62 der ersten Stufe kann mehrere Mantelringsegmente enthalten, die nebeneinander in einer kreisringförmigen Anordnung angeordnet sind. In einer ähnlichen Weise kann eine zweite Stufe 64 eine Anzahl von Leitschaufeln 66 der zweiten Stufe, eine Anzahl von Laufschaufeln 68 der zweiten Stufe und einen Mantelring 70 der zweiten Stufe enthalten, der die Laufschaufeln 68 der zweiten Stufe umgibt. Ferner kann eine dritte Stufe 72 eine Anzahl von Leitschaufeln 74 der dritten Stufe, eine Anzahl von Laufschaufeln 76 der dritten Stufe und einen Mantelring 78 der dritten Stufe enthalten, der die Laufschaufeln 76 der dritten Stufe umgibt. Obwohl der Abschnitt der Turbine 40 gezeigt ist, wie er drei Stufen 52 enthält, kann die Turbine 40 eine beliebige Anzahl von Stufen 52 enthalten.

[0035] Fig. 3 und 4 zeigen eine bekannte Turbinenlaufschaufel 80, wie sie in einer der Stufen 52 der Turbine 40 verwendet werden kann. Die Laufschaufei 80 kann z.B. in der zweiten Stufe 64 oder in einer späteren Stufe der Turbine 40 verwendet werden. Allgemein beschrieben, kann die Turbinenschaufel 80 ein Schaufelblatt 82, einen Schaft 84 ’und eine Plattform 86 enthalten, die zwischen dem Schaufelblatt 82 und dem Schaft 84 angeordnet ist. Wie vorstehend beschrieben, kann eine Anzahl der Laufschaufeln 80 in einer Umfangsanordnung innerhalb der Stufe 52 der Turbine 40 angeordnet sein. Auf diese Weise kann sich das Schaufelblatt 82 jeder Laufschaufel 80 radial bezüglich einer Mittelachse der Turbine 40 erstrecken, während sich die Plattform 86 jeder Laufschaufel 80 bezüglich der Mittelachse der Turbine 40 in Umfangsrichtung erstreckt.

[0036] Wie gezeigt, kann sich das Schaufelblatt 82 von der Plattform 86 aus radial nach aussen bis zu einem Spitzendeckband 88 erstrecken, das an einem Spitzenende 90 der Laufschaufel 80 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das Spitzendeckband 88 in einem Stück mit dem Schaufelblatt 82 ausgebildet sein. Der Schaft 84 kann sich von der Plattform 86 aus radial nach innen bis zu einem Fussende 92 der Laufschaufel 80 erstrecken, so dass die Plattform 86 im Wesentlichen eine Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt 82 und dem Schaft 84 definiert. Wie gezeigt, kann die Plattform 86 so ausgebildet sein, dass sie sich während eines Betriebs der Turbine im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse der Turbine 40 erstreckt. Der Schaft 84 kann ausgebildet sein, um eine Fussstruktur, wie z.B. einen Schwalbenschwanz, zu definieren, die eingerichtet ist, um die Laufschaufel 80 an einer Turbinenlaufscheibe der Turbine 40 zu sichern. Während eines Betriebs der Turbine 40 strömt die Strömung von Verbrennungsgasen 35 entlang des Heissgaspfads 54 und über der Plattform 86, die gemeinsam mit einem Aussenumfang der Turbinenlaufscheibe die radial innere Begrenzung des Heissgaspfads 54 bildet. Dementsprechend wird die Strömung der Verbrennungsgase 35 gegen das Schaufelblatt 82 der Laufschaufel 80 gerichtet, und somit sind die Oberflächen des Schaufelblatts 82 sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.

[0037] [0143] Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, kann die Turbinenschaufel 80 eine Anzahl von (mittels verdeckter Linien veranschaulichten) Kühldurchgängen 94 enthalten, die in der Laufschaufel 80 definiert sind. Jeder Kühlkanal 94 kann einen ersten geraden Abschnitt 94a enthalten, der sich von einem Einlass 96 aus erstreckt, der in dem Fussende 92 der Laufschaufel 80 definiert ist. Jeder Kühldurchgang 94 kann auch einen zweiten geraden Abschnitt 94b enthalten, der sich von dem ersten geraden Abschnitt 94a bis zu einem Auslass 98 erstreckt, der in dem Spitzenende 90 der Laufschaufel 80 definiert ist. Der erste gerade Abschnitt 94a und der zweite gerade Abschnitt 94b können sich, wie gezeigt, an einer Verbindungsstelle innerhalb der Plattform 86 der Laufschaufel 80 treffen. Die Abschnitte 94a, 94b der Kühldurchgänge 94 können mittels herkömmlicher STEM-Bohrverfahren (elektrochemischer Bohrverfahren) erzeugt werden. Während eines Betriebs der Turbine 40 kann ein Kühlfluid, wie z.B. eine Auslass- oder Entnahmeluft aus dem Verdichter 15, in die Einlasse 96 geleitet werden und kann anschliessend durch die Kühldurchgänge 94 hindurchströmen und die Laufschaufel 80 über die Auslässe 98 verlassen. Dementsprechend kann Wärme von umgebenden Bereichen der Laufschaufel 80, insbesondere von dem Schaufelblatt 82, auf das Kühlfluid übertragen werden, während dieses durch die Kühldurchgänge 94 hindurchströmt und dann in den Heissgaspfad 54 an dem Spitzenende 90 der Laufschaufel 80 geleitet wird.

[0038] Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform einer Turbinenschaufel 100, wie sie hierin beschrieben sein kann. Die Turbinenschaufel 100 kann in einer der Stufen 52 der Turbine 40 verwendet werden und kann im Wesentlichen in einer ähnlichen Weise wie die vorstehend beschriebene Turbinenschaufel 80 eingerichtet sein, obwohl bestimmte Unterschiede in dem Aufbau und der Funktion nachstehend beschrieben sind. Z.B. kann die Laufschaufel 100 in der zweiten Stufe 64 oder einer späteren Stufe der Turbine 40 verwendet werden. Wie gezeigt, kann die Laufschaufel 100 ein Schaufelblatt 102, einen Schaft 104 und eine Plattform 106 enthalten, die zwischen dem Schaufelblatt 102 und dem Schaft 104 angeordnet ist. Eine Anzahl von Laufschaufeln 100 kann in einer Umfangsanordnung innerhalb der Stufe 52 der Turbine 40 angeordnet sein. Auf diese Weise kann sich das Schaufelblatt 102 jeder Laufschaufel 100 radial bezüglich einer Mittelachse der Turbine 40 erstrecken, während sich die Plattform 106 jeder Laufschaufel 100 in Umfangsrichtung bezüglich der Mittelachse der Turbine 40 erstreckt.

[0039] Wie gezeigt, kann sich das Schaufelblatt 102 von der Plattform 106 aus bis zu einem Spitzendeckband 108 erstrecken, das an einem Spitzenende 110 der Laufschaufel 100 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das Spitzendeckband 108 in einem Stück mit dem Schaufelblatt 102 ausgebildet sein. Der Schaft 104 kann sich von der Plattform 106 radial nach innen bis zu einem Fussende 112 der Laufschaufel 100 erstrecken, so dass die Plattform 106 im Wesentlichen eine Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt 102 und dem Schaft 104 definiert. Wie gezeigt, kann die Plattform 106 so ausgebildet sein, dass sie sich während eines Betriebs der Turbine 40 im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse der Turbine 40 erstreckt. Der Schaft 104 kann ausgebildet sein, um eine Fussstruktur, wie z.B. einen Schwalbenschwanz, zu definieren, die eingerichtet ist, um die Laufschaufel 100 an eine Turbinenlaufscheibe der Turbine 40 zu sichern. Während eines Betriebs der Turbine 40 bewegt sich die Strömung der Verbrennungsgase 35 entlang des Heissgaspfads 54 und über die Plattform 106, die gemeinsam mit einem äusseren Umfang der Turbinenlaufscheibe die radial innere Begrenzung des Heissgaspfads 54 bildet. Dementsprechend wird die Strömung der Verbrennungsgase 35 gegen das Schaufelblatt 102 der Laufschaufel 100 gerichtet, und somit sind die Oberflächen des Schaufelblatts 102 sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.

[0040] Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, kann die Turbinenschaufel 100 eine Anzahl von (mittels verdeckter Linien veranschaulichten) Kühldurchgängen 114 enthalten, die innerhalb der Laufschaufel 100 definiert sind. Insbesondere können die Kühldurchgänge 114 wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts 102 der Laufschaufel 100 definiert sein. Wenigstens einer der Kühldurchgänge 114 kann sich von einem Einlass 116 aus, der in dem Fussende 112 der Laufschaufel 100 definiert ist, radial bis zu einem Auslass 118 erstrecken, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts 102 radial innen von dem Spitzenende 110 der Laufschaufel 100 definiert ist. Auf diese Weise kann der Kühldurchgang 114 an dem Einlass 116 beginnen und an dem Auslass 118 enden. In einigen Ausführungsformen kann sich jeder der Kühldurchgänge 114 von einem entsprechenden Einlass 116 aus, der in dem Fussende 112 der Laufschaufel 100 definiert ist, radial bis zu einem entsprechenden Auslass 118 erstrecken, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts 102 radial innen von dem Spitzenende 110 der Laufschaufel 100 definiert ist. Auf diese Weise kann jeder der Kühldurchgänge 114 an dem jeweiligen Einlass 116 beginnen und an dem jeweiligen Auslass 118 enden. Wie gezeigt, können die Einlasse 116 der Kühldurchgänge 114 in dem Schaft 104 der Laufschaufel 100 definiert sein. In einigen Ausführungsformen kann wenigstens einer der Auslässe 118 der Kühldurchgänge 114 in einer Druckseitenoberfläche 120 des Schaufelblatts 102 definiert sein, die einer Druckseite 122 der Laufschaufel 100 entspricht. Ferner kann in einigen Ausführungsformen wenigstens einer der Auslässe 118 der Kühldurchgänge 114 in einer Saugseitenoberfläche 124 des Schaufelblatts 102 definiert sein, die einer Saugseite 126 der Laufschaufel 100 entspricht. Gemäss einiger Ausführungsformen kann die Laufschaufel 100 wenigstens einen Kühldurchgang 114 enthalten, der sich radial bis zu einem entsprechenden Auslass 118 erstreckt, der in der Aussenfläche eines Schaufelblatts 102 radial innen von dem Spitzenende 110 der Laufschaufel 100 definiert ist, und sie kann ferner wenigstens einen Kühldurchgang 114 enthalten, der sich radial bis zu einem entsprechenden Auslass 118 erstreckt, der in dem Spitzenende 110 der Laufschaufel 100 definiert ist.

[0041] Wie gezeigt, kann ein Abschnitt des Schaufelblatts 102, der sich von den Auslässen 118 der Kühldurchgänge 114 radial nach aussen erstreckt, massiv sein. Wie in Fig. 5 gezeigt, können die Auslässe 118 der Kühldurchgänge 114 in manchen Ausführungsformen in der Aussenfläche des Schaufelblatts 102 an Stellen zwischen 50% und 70% einer radialen Länge des Schaufelblatts 102 von der Plattform 106 aus definiert sein, obwohl andere Stellen möglich sind. In solchen Ausführungsformen kann der Abschnitt des Schaufelblatts 102, der sich über zwischen 70% und 100% der radialen Länge des Schaufelblatts 102 von der Plattform 106 aus erstreckt, massiv oder nicht massiv sein. In einigen Ausführungsformen kann das Spitzendeckband 108, das sich von dem Schaufelblatt 102 aus radial nach aussen erstreckt, massiv sein. Die Kühldurchgänge 114 können durch herkömmliche Bohrtechniken oder andere Herstellungsverfahren ausgebildet werden.

[0042] Während eines Betriebs der Turbine 40 kann ein Kühlfluid, wie z.B. Auslass- oder Entnahmeluft von dem Verdichter 15, in die Einlasse 116 geleitet werden und kann anschliessend durch die Kühldurchgänge 114 hindurchströmen. Das Kühl-fluid kann durch die Auslässe 118 der Kühldurchgänge 114 und in den Heissgaspfad 54 hinein ausgegeben werden. Dementsprechend kann Wärme von umgebenden Bereichen der Laufschaufel 100, insbesondere einem radial inneren Abschnitt des Schaufelblatts 102, auf das Kühlfluid übertragen werden, während dieses durch die Kühldurchgänge 114 hindurchströmt und dann in den Heissgaspfad 54 entlang des Schaufelblatts 102 ausgegeben wird.

[0043] Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Turbinenlaufschaufel 200, wie sie hierin beschrieben sein kann. Die Turbinenlaufschaufel 200 kann vielfältige Merkmale enthalten, die denjenigen entsprechen, die unter Bezugnahme auf die Turbinenschaufel 100 vorstehend beschrieben sind, deren Merkmale in Fig. 7 mit entsprechenden Bezugsziffern gekennzeichnet sind und die nachstehend nicht mit weiteren Details beschrieben sind. Die Turbinenlaufschaufel 200 kann in einer der Stufen 52 der Turbine 40 verwendet werden und kann ein Schaufelblatt 202, einen Schaft 204, eine Plattform 206, ein Spitzendeckband 208, ein Spitzenende 210 und ein Fussende 212 enthalten.

[0044] Wie gezeigt, kann die Turbinenlaufschaufel 200 eine Anzahl von Kühldurchgängen 214 und wenigstens einen (mittels verdeckter Linien veranschaulichten) Kühlhohlraum 216 enthalten, der innerhalb der Laufschaufel 200 definiert ist. Insbesondere können die Kühldurchgänge 214 wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts 202 der Laufschaufel 200 definiert sein, und der Kühlhohlraum 216 kann wenigstens teilweise innerhalb des Schafts 204 der Laufschaufel 200 definiert sein. Wenigstens einer der Kühldurchgänge 214 kann sich von dem Kühlhohlraum 216 aus bis zu einem Auslass 218 erstrecken, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts 202 radial innen von dem Spitzenende 210 der Laufschaufel 200 definiert ist. Auf diese Weise kann der Kühldurchgang 214 an dem Kühlhohlraum 216 beginnen und an dem Auslass 218 enden. In einigen Ausführungsformen kann sich jeder der Kühldurchgänge 214 radial von dem Kühlhohlraum 216 aus bis zu einem entsprechenden Auslass 218 erstrecken, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts 202 radial innen von dem Spitzenende 210 der Laufschaufel 200 definiert ist. Auf diese Weise kann jeder der Kühldurchgänge 214 an dem Kühlhohlraum 216 beginnen und kann an dem jeweiligen Auslass 218 enden. Wie gezeigt, können die Kühldurchgänge 214 mit dem Kühlhohlraum 216 an einer innerhalb der Plattform 206 angeordneten Verbindungsstelle in Übertragungsverbindung stehen. In einigen Ausführungsformen kann wenigstens einer der Auslässe 218 der Kühldurchgänge 214 in einer Druckseitenoberfläche 220 des Schaufelblatts 202 definiert sein, die einer Druckseite 222 der Laufschaufel 200 entspricht. Ferner kann in einigen Ausführungsformen wenigstens einer der Auslässe 218 der Kühldurchgänge 214 in einer Saugseitenoberfläche 224 des Schaufelblatts 202 definiert sein, die einer Saugseite 226 der Laufschaufel 200 entspricht. Gemäss einigen Ausführungsformen kann die Laufschaufel 200 wenigstens einen Kühldurchgang 214 enthalten, der sich radial bis zu einem entsprechenden Auslass 218 erstreckt, der in der Aussenfläche des Schaufelblatts 202 radial innen von dem Spitzenende 210 der Laufschaufel 200 definiert ist, und sie kann ferner wenigstens einen Kühldurchgang 214 enthalten, der sich radial bis zu einem entsprechenden Auslass 218 erstreckt, der in dem Spitzenende 210 der Laufschaufel 200 definiert ist.

[0045] Während des Betriebs der Turbine 40 kann ein Kühlfluid, wie z.B. Auslass- oder Entnahmeluft von dem Verdichter 15, in den Kühlhohlraum 216 geleitet werden und kann anschliessend durch die Kühldurchgänge 214 hindurchströmen. Das Kühlfluid kann durch die Auslässe 218 der Kühlkanäle 214 und in den Heissgaspfad 54 hinein ausgegeben werden. Dementsprechend kann Wärme von umgebenden Bereichen der Laufschaufel 200, insbesondere einem radial inneren Abschnitt des Schaufelblatts 202, auf das Kühlfluid übertragen werden, während dieses durch die Kühldurchgänge 214 hindurchströmt und dann in den Heissgaspfad 54 entlang des Schaufelblatts 202 ausgegeben wird.

[0046] Die hierin beschriebenen Ausführungsformen stellen somit eine verbesserte Turbinenlaufschaufel bereit, die eine Kühldurchgangkonfiguration zur Kühlung der Turbinenschaufel bei hohen Betriebstemperaturen enthält. Wie vorstehend beschrieben, kann die Turbinenschaufel eine Anzahl von Kühldurchgängen enthalten, die wenigstens teilweise innerhalb eines Schaufelblatts definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Laufschaufel definiert ist. Die Kühldurchgänge können folglich eingerichtet sein, um eine Strömung eines Kühlfluids durch einen Abschnitt des Schaufelblatts zu leiten und das Kühlfluid in den Heissgaspfad entlang des Schaufelblatts auszugeben. Auf diese Weise kann die Kühldurchgangkonfiguration der Turbinenschaufel, insbesondere dem Schaufelblatts, ermöglichen, vielfältige komplexe dreidimensionale Formen oder eine Verwindung zur verbesserten Aerodynamik aufzuweisen. Die Kühldurchgangkonfiguration kann ferner eine optimale Positionierung der Kühldurchgänge für eine angestrebte Kühlung des begrenzenden Bereichs des Schaufelblatts ermöglichen, während auch die Kosten und Komplexität der Herstellung der Turbinenschaufel minimiert werden. Schliesslich kann die Kühldurchgangkonfiguration der Turbinenschaufel ermöglichen, hohen Betriebstemperaturen ohne Zerstörung, Ausfall oder Verkürzung der Nutzungsdauer zu widerstehen, und sie kann den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine und der gesamten Gasturbine verbessern.

[0047] Es sollte offensichtlich sein, dass das Vorstehende lediglich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents betrifft. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen können von einem Fachmann daran durchgeführt werden, ohne den allgemeinen Rahmen und Umfang der Erfindung zu verlassen, wie durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert.

[0048] [0154] Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine bereit. Die Turbinenschaufel kann eine Plattform, ein Schaufelblatt, das sich radial aussen von der Plattform erstreckt, und eine Anzahl von Kühldurchgängen enthalten, die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts definiert sind. Wenigstens einer der Kühldurchgänge kann sich radial bis zu einem Auslass erstrecken, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist. Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ferner ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel einer Gasturbine bereit.

Bezugszeichenliste

[0049] <tb>Gasturbine<SEP>10 <tb>Verdichter<SEP>15 <tb>Luftströmung<SEP>20 <tb>Brennkammer<SEP>25 <tb>Brennstoffströmung<SEP>30 <tb>Verbrennungsgasströmung<SEP>35 <tb>Turbine<SEP>40 <tb>Welle<SEP>45 <tb>externe Last<SEP>50 <tb>Turbinenstufen<SEP>52 <tb>Heissgaspfad<SEP>54 <tb>erste Stufe<SEP>56 <tb>Leitschaufeln der ersten Stufe<SEP>58 <tb>Laufschaufeln der ersten Stufe<SEP>60 <tb>Mantelring der ersten Stufe<SEP>62 <tb>zweite Stufe<SEP>64 <tb>Leitschaufeln der zweiten Stufe<SEP>66 <tb>Laufschaufeln der zweiten Stufe<SEP>68 <tb>Mantelring der zweiten Stufe<SEP>70 <tb>dritte Stufe<SEP>72 <tb>Leitschaufeln der dritten Stufe<SEP>74 <tb>Laufschaufeln der dritten Stufe<SEP>76 <tb>Mantelring der dritten Stufe<SEP>78 <tb>Turbinenlaufschaufel<SEP>80 <tb>Schaufelblatt<SEP>82 <tb>Schaft<SEP>84 <tb>Plattform<SEP>86 <tb>Spitzendeckband<SEP>88 <tb>Spitzenende<SEP>90 <tb>Fussende<SEP>92 <tb>Kühldurchgang<SEP>94 <tb>erster gerader Abschnitt<SEP>94a <tb>zweiter gerader Abschnitt<SEP>94b <tb>Einlass<SEP>96 <tb>Auslass<SEP>98 <tb>Turbinenlaufschaufel<SEP>100 <tb>Schaufelblatt<SEP>102 <tb>Schaft<SEP>104 <tb>Plattform<SEP>106 <tb>Spitzendeckband<SEP>108 <tb>Spitzenende<SEP>110 <tb>Fussende<SEP>112 <tb>Kühldurchgang<SEP>114 <tb>Einlass<SEP>116 <tb>Auslass<SEP>118 <tb>Druckseitenoberfläche<SEP>120 <tb>Druckseite<SEP>122 <tb>Saugseitenoberfläche<SEP>124 <tb>Saugseite<SEP>126 <tb>Turbinenlaufschaufel<SEP>200 <tb>Schaufelblatt<SEP>202 <tb>Schaft<SEP>204 <tb>Plattform<SEP>206 <tb>Spitzendeckband<SEP>208 <tb>Spitzenende<SEP>210 <tb>Fussende<SEP>212 <tb>Kühldurchgang<SEP>214 <tb>Kühlhohlraum<SEP>216 <tb>Auslass<SEP>218 <tb>Druckseitenoberfläche<SEP>220 <tb>Druckseite<SEP>222 <tb>Saugseitenoberfläche<SEP>224 <tb>Saugseite<SEP>226

Claims (10)

1. Turbinenschaufel für eine Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel aufweist: eine Plattform; ein Schaufelblatt, das sich radial aussen von der Plattform erstreckt; und mehrere Kühldurchgänge, die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.

2. Turbinenschaufel gemäss Anspruch 1, die ferner einen Schaft aufweist, die sich radial innen von der Plattform erstreckt, wobei sich der wenigstens eine der Kühldurchgänge von einem Einlass aus, der in einer Aussenfläche der Welle definiert ist, radial erstreckt; und/oder die ferner einen Schaft, der sich radial innen von der Plattform erstreckt, und einen Kühlhohlraum aufweist, der wenigstens teilweise innerhalb des Schafts definiert ist, wobei sich der wenigstens eine der Kühldurchgänge von dem Kühlhohlraum aus radial erstreckt.

3. Turbinenschaufel gemäss Anspruch 2, wobei der wenigstens eine der Kühldurchgänge an einer Verbindungsstelle, die innerhalb der Plattform positioniert ist, mit dem Kühlhohlraum in Verbindung steht.

4. Turbinenschaufel gemäss Anspruch 1, wobei der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge in einer Druckseitenoberfläche des Schaufelblatts definiert ist; und/oder wobei der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge in einer Saugseitenoberfläche des Schaufelblatts definiert ist.

5. Turbinenschaufel gemäss Anspruch 1, wobei sich jeder der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in der Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von dem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.

6. Turbinenschaufel gemäss Anspruch 1, wobei der Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge in der Aussenfläche des Schaufelblatts an einer Stelle zwischen 50% und 70% einer radialen Länge des Schaufelblatts von der Plattform aus definiert ist.

7. Turbinenschaufel gemäss Anspruch 6, wobei ein Abschnitt des Schaufelblatts, der sich über zwischen 70% und 100% der radialen Länge des Schaufelblatts von der Plattform aus erstreckt, massiv ist; und/oder wobei ein Abschnitt des Schaufelblatts, der sich von dem Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge radial nach aussen erstreckt, massiv ist.

8. Turbinenschaufel gemäss Anspruch 1, die ferner ein Spitzendeckband aufweist, das sich radial aussen von dem Schaufelblatt erstreckt, wobei das Spitzendeckband massiv ist.

9. Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel, die in einer Gasturbine verwendet wird, das aufweist: Durchleiten einer Strömung eines Kühlfluids durch mehrere Kühldurchgänge, die wenigstens teilweise innerhalb eines Schaufelblatts der Turbinenschaufel definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist; und Ausgeben der Kühlfluidströmung durch den Auslass des wenigstens einen der Kühldurchgänge und in einen Heissgaspfad hinein.

10. Gasturbine, die aufweist: einen Verdichter; eine Brennkammer in Verbindung mit dem Verdichter; und eine Turbine in Verbindung mit der Brennkammer, wobei die Turbine mehrere Turbinenschaufeln aufweist, die in einer Umfangsanordnung angeordnet sind, wobei jede der Turbinenschaufeln aufweist: eine Plattform; ein Schaufelblatt, das sich radial aussen von der Plattform erstreckt; und mehrere Kühldurchgänge, die wenigstens teilweise innerhalb des Schaufelblatts definiert sind, wobei sich wenigstens einer der Kühldurchgänge radial bis zu einem Auslass erstreckt, der in einer Aussenfläche des Schaufelblatts radial innen von einem Spitzenende der Turbinenschaufel definiert ist.