CH709093A2 - Turbinenschaufel mit einer Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms. - Google Patents

Abstract

Eine Turbinenschaufel (25) mit einem Schaufelblatt und einer radial verlaufenden Kammer darin für ein Kühlmittel. Die Turbinenschaufel (25) beinhaltet auch eine Rippenanordnung (60, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 69), welche die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge (40) untergliedert. Die Rippenanordnung beinhaltet: eine Skelettlinienrippe (62, 63, 64), die eine wandnahe Strömungskammer definiert, und Querrippen (66, 67, 68, 69), die zwischen der Skelettlinienrippe (62, 63, 64) und einer der Aussenwände verlaufen, um die wandnahe Strömungskammer in nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge (40) zu unterteilen, die jeweils ein Segment der Skelettlinienrippe (62, 63, 64) beinhalten. Das Segment der Skelettlinienrippe (62, 63, 64) von einem der Strömungsdurchgänge (40) hat ein sich verschmälerndes Profil, das ein Profil beinhaltet, das sich von entgegengesetzten Enden zu einem dazwischen angeordneten Hals hin verschmälert.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenschaufelblätter und speziell hohle Turbinenschaufelblätter wie Lauf- oder Leitschaufeln, die innere Kanäle zum Hindurchleiten von Fluiden wie Luft zum Kühlen der Schaufelblätter haben:

[0002] Verbrennungs- oder Gasturbinenmaschinen (im Folgenden «Gasturbinen») weisen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine auf. Bekanntermassen wird im Verdichter verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer entzündet und dann zur Krafterzeugung durch die Turbine ausgedehnt. Die Bauteile innerhalb der Turbine, speziell die sich in Umfangsrichtung erstreckend angeordneten Lauf- und Leitschaufeln, sind einer widrigen Umgebung ausgesetzt, die durch die extrem hohen Temperaturen und Drücke der Verbrennungsprodukte gekennzeichnet ist, die durch sie ausgedehnt werden. Um den sich wiederholenden Wärmezyklen sowie den extremen Temperaturen und mechanischen Belastungen dieser Umgebung standzuhalten, müssen die Schaufelblätter eine robuste Struktur haben und aktiv gekühlt werden.

[0003] Wie zu erkennen ist, enthalten Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen oft innere Gänge oder Kreise, die ein Kühlungssystem bilden, durch das ein Kühlmittel, gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Luft, umgewälzt wird. Derartige Kühlkreise werden gewöhnlich von inneren Rippen gebildet, welche die erforderliche strukturelle Unterstützung für das Schaufelblatt bereitstellen, und beinhalten mehrere Strömungswege, die dafür ausgelegt sind, das Schaufelblatt innerhalb eines akzeptablen Temperaturprofils zu halten. Die durch diese Kühlkreise hindurchströmende Luft wird oft durch Filmkühlungsöffnungen abgelassen, die an der Vorderkante, der Hinterkante, der Saugseite und der Druckseite des Schaufelblatts ausgebildet sind.

[0004] Erkennbar nimmt der Wirkungsgrad von Gasturbinen mit steigenden Zündtemperaturen zu. Aufgrund dessen besteht ein ständiger Bedarf an technologischen Fortschritten, die es Turbinenschaufeln ermöglichen, immer noch höheren Temperaturen standzuhalten. Diese Fortschritte beinhalten manchmal neue Werkstoffe, die höheren Temperaturen standhalten können, genauso oft beinhalten sie aber das Verbessern der Innenanordnung des Schaufelblatts, um die Konstruktion und Kühlleistung der Schaufel zu verbessern. Da die Verwendung von Kühlmittel aber den Wirkungsgrad der Maschine verringert, tauschen neue Anordnungen, die sich zu stark auf höhere Kühlmittelverbrauchspegel verlassen, lediglich eine Leistungsschwäche gegen eine andere ein. Infolgedessen besteht weiterhin ein Bedarf an neuen Schaufelblattkonstruktionen, die innere Schaufelblattgestaltungen und eine Kühlmittelumwälzung bieten, welche den Kühlmittelwirkungsgrad verbessern.

[0005] Ein Faktor, der die Konstruktion von innengekühlten Schaufelblättern noch komplizierter macht, ist der Temperaturunterschied, der sich während des Betriebs zwischen der Innen- und Aussenstruktur der Schaufelblätter entwickelt. Das heisst, weil sie mit dem Heissgasweg in Kontakt sind, liegen die Aussenwände des Schaufelblatts während des Betriebs gewöhnlich auf viel höheren Temperaturen als viele der inneren Rippen, in denen z.B. Kühlmittel durch Gänge strömt, die an jeder Seite von ihnen definiert sind. Tatsächlich beinhaltet eine übliche Schaufelblattgestaltung eine «vierwandige» Anordnung, in der längere Innenrippen parallel zu den druck- und saugseitigen Aussenwänden verlaufen. Es ist bekannt, dass sich durch die wandnahen Strömungsdurchgänge, die in der vierwandigen Anordnung ausgebildet sind, eine hohe Kühlleistung erreichen lässt, die Aussenwände aber einen bedeutend höheren Grad an Wärmeausdehnung erfahren als die Innenwände. Diese unausgeglichene Ausdehnung verursacht die Entwicklung von Belastungen an den Verbindungspunkten der Innenrippen und Aussenwände, die eine Kurzzeitermüdung verursachen können, die die Lebensdauer der Schaufel verkürzen kann. Von daher bleibt die Entwicklung von Schaufelblattkonstruktionen, die Kühlmittel effizienter nutzen, während sie gleichzeitig durch unausgeglichene Wärmeausdehnung zwischen den inneren und äusseren Regionen verursachte Belastungen reduzieren, eine bedeutende technologische Aufgabe für die Industrie.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0006] Die vorliegende Anmeldung beschreibt daher eine Turbinenschaufel, umfassend ein Schaufelblatt, das von Aussenwänden definiert wird, wobei eine konkav geformte druckseitige Aussenwand und eine konvex geformte saugseitige Aussenwand an Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und dazwischen eine radial verlaufende Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden. Die Turbinenschaufel beinhaltet ferner eine Rippenanordnung, die die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge untergliedert. Die Rippenanordnung kann Folgendes beinhalten: eine Skelettlinienrippe, die neben einer der Aussenwände entlang verläuft, um dazwischen eine wandnahe Strömungskammer zu definieren, und Querrippen, die zwischen der Skelettlinienrippe und der einen der Aussenwände verlaufen, um die wandnahe Strömungskammer in nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge zu unterteilen, wobei jeder der Strömungsdurchgänge von einem Segment der Skelettlinienrippe einwärts definiert wird. Das Segment der Skelettlinienrippe von einem der Strömungsdurchgänge kann ein sich verschmälerndes Profil haben, das ein Profil beinhaltet, das sich von entgegengesetzten Enden zu einem dazwischen angeordneten Hals hin verschmälert.

[0007] Das sich verschmälernde Profil kann ein Querschnittprofil umfassen.

[0008] Das Segment der Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann ein Querrippe-Querrippe-Segment umfassen, bei dem jedes der entgegengesetzten Enden an einem Schnittpunkt mit einer der Querrippen definiert wird.

[0009] Die Querrippen einer oben erwähnten Turbinenschaufel können wenigstens zwei axial stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge bilden, wobei das Segment der Skelettlinienrippe für jeden der zwei axial stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist.

[0010] Die Querrippen einer oben erwähnten Turbinenschaufel können drei nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge bilden, wobei das Segment der Skelettlinienrippe für jeden der drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist.

[0011] Das Segment der Skelettlinienrippe für jeden der drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann jeweils eine lineare Achse aufweisen.

[0012] Die Segmente der Skelettlinienrippe für die drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine wellige Achse aufweisen.

[0013] Die wellige Achse einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann wenigstens eine hin- und hergehende «S»-Form aufweisen.

[0014] Die Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine druckseitige Skelettlinienrippe umfassen, die neben und nahe der druckseitigen Aussenwand entlang verläuft, wobei die Querrippen zwischen der druckseitigen Skelettlinienrippe und der druckseitigen Aussenwand verlaufen, um die drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei die Strömungsdurchgänge jeweils von der druckseitigen Aussenwand, zwei einander gegenüberliegenden Querrippen und, gegenüber der druckseitigen Aussenwand, dem Segment der druckseitigen Skelettlinienrippe definiert werden.

[0015] Die druckseitige Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann ein welliges Profil umfassen, das wenigstens zwei aufeinanderfolgende hin- und hergehende «S»-Formen beinhaltet.

[0016] Die Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine saugseitige Skelettlinienrippe umfassen, die neben und nahe der saugseitigen Aussenwand entlang verläuft, wobei die Querrippen zwischen der saugseitigen Skelettlinienrippe und der saugseitigen Aussenwand verlaufen, um die drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei die Strömungsdurchgänge jeweils von der saugseitigen Aussenwand, zwei einander gegenüberliegenden Querrippen und, gegenüber der saugseitigen Aussenwand, dem Segment der saugseitigen Skelettlinienrippe definiert werden.

[0017] Die saugseitige Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann ein welliges Profil umfassen, das wenigstens zwei aufeinanderfolgende hin- und hergehende «S»-Formen beinhaltet.

[0018] Die Rippenanordnung einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann zwei Skelettlinienrippen beinhalten: eine druckseitige Skelettlinienrippe, die neben der druckseitigen Aussenwand entlang verläuft und dazwischen eine wandnahe Strömungskammer bildet, und eine saugseitige Skelettlinienrippe, die neben der saugseitigen Aussenwand entlang verläuft und dazwischen eine wandnahe Strömungskammer bildet, wobei die Querrippen zwischen der druckseitigen Skelettlinienrippe und der druckseitigen Aussenwand verlaufen, um wenigstens zwei nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei das Segment der druckseitigen Skelettlinienrippe für jeden der zwei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist, und wobei die Querrippen zwischen der saugseitigen Skelettlinienrippe und der saugseitigen Aussenwand verlaufen, um wenigstens zwei nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei das Segment der saugseitigen Skelettlinienrippe für jeden der zwei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist.

[0019] Die druckseitige Skelettlinienrippe und/oder die saugseitige Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann ein welliges Profil aufweisen, das wenigstens zwei aufeinanderfolgende hin- und hergehende «S»-Formen beinhaltet.

[0020] Der Hals des sich verschmälernden Profils einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann nahe einem Mittelpunkt zwischen den entgegengesetzten Enden der Segmente der Skelettlinienrippe angeordnet sein.

[0021] Jedes der entgegengesetzten Enden einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine Enddicke aufweisen und der Hals kann eine Halsdicke aufweisen, wobei die Enddicke wenigstens 1,5-mal so gross wie die Halsdicke ist.

[0022] Jedes der entgegengesetzten Enden weist eine Enddicke auf und der Hals weist eine Halsdicke auf, wobei die Enddicke wenigstens zweimal so gross wie die Halsdicke sein kann.

[0023] Die Verschmälerung zwischen jedem der entgegengesetzten Enden und dem Hals einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann konstant sein.

[0024] Die Verschmälerung zwischen jedem der entgegengesetzten Enden und dem Hals einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann glatt sein.

[0025] Die Turbinenschaufel einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine Turbinenlaufschaufel umfassen.

[0026] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei der Prüfung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wenn in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen betrachtet, offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0027] Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden beim sorgfältigen Studium der folgenden ausführlicheren Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen umfassender verstanden und erfasst werden, wobei: <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbinenmaschine ist, in der gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung genutzt werden können, <tb>Fig. 2<SEP>eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts der Verbrennungsturbinenmaschine von Fig. 1 ist, <tb>Fig. 3<SEP>eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts der Verbrennungsturbinenmaschine von Fig. 1 ist, <tb>Fig. 4<SEP>eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel des Typs ist, in dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, <tb>Fig. 5<SEP>eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwand- oder Rippenanordnung gemäss einer konventionellen Konstruktion hat, <tb>Fig. 6<SEP>eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwandanordnung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat, <tb>Fig. 7<SEP>eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwand- oder Rippenanordnung gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat, und <tb>Fig. 8<SEP>eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwand- oder Rippenanordnung gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0028] Eingehend wird es zur klaren Beschreibung der aktuellen Erfindung notwendig, bei der Bezugnahme auf und der Beschreibung von relevante(n) Maschinenbauteile(n) innerhalb einer Gasturbine eine gewisse Terminologie zu wählen. Dabei wird möglichst immer übliche Industrieterminologie auf eine Weise verwendet und eingesetzt, die mit ihrer akzeptierten Bedeutung übereinstimmt. Sofern nicht anders angegeben, ist derartige Terminologie in Übereinstimmung mit dem Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung und dem Umfang der angehängten Ansprüche weit auszulegen. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass ein spezielles Bauteil oft unter Verwendung mehrerer verschiedener oder überlappender Begriffe bezeichnet werden kann. Was hierin als einzelnes Bauteil beschrieben werden kann, kann in einem anderen Zusammenhang mehrere Bauteile beinhalten und als aus mehreren Bauteilen bestehend bezeichnet werden. Alternativ kann das, was hierin als mehrere Bauteile beinhaltend beschrieben wird, an anderer Stelle als ein Einzelteil bezeichnet werden. Dementsprechend ist beim Verstehen des Umfangs der vorliegenden Erfindung nicht nur die hierin vorgesehene Terminologie und Beschreibung zu beachten, sondern auch die Struktur, Anordnung, Funktion und/oder Nutzung des Bauteils.

[0029] Hierin können ausserdem regelmässig mehrere beschreibende Begriffe verwendet werden und es sollte sich als nützlich erweisen, diese Begriffe zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Diese Begriffe und ihre Definitionen, sofern nicht anders angegeben, sind wie folgt. «Stromabwärts» und «stromaufwärts», wie hierin verwendet, sind Begriffe, die eine Richtung relativ zur Strömung eines Fluids andeuten, wie des Arbeitsfluids durch die Turbinenmaschine oder zum Beispiel der Luftstrom durch die Brennkammer oder des Kühlmittelstroms durch eines der Bauteilsysteme der Turbine. Der Begriff «stromabwärts» entspricht der Fluidströmungsrichtung und der Begriff «stromaufwärts» bezieht sich auf die Richtung, die der Strömung entgegengesetzt ist. Die Begriffe «vorn» und «hinten» ohne weitere Spezifität beziehen sich auf Richtungen, wobei «vorn» sich auf das vordere oder Verdichterende der Maschine und «hinten» sich auf das hintere oder Turbinenende der Maschine bezieht. Oft müssen Teile beschrieben werden, die sich in Bezug auf eine Mittelachse an verschiedenen radialen Positionen befinden. Der Begriff «radial» bezieht sich auf eine zu einer Achse lotrechte Bewegung oder Position. In Fällen wie diesem wird, wenn ein erstes Bauteil näher an der Achse liegt als ein zweites Bauteil, hierin angegeben, dass das erste Bauteil vom zweiten Bauteil «radial einwärts» oder «innenliegend» ist. Wenn dagegen das erste Bauteil weiter von der Achse entfernt ist als das zweite Bauteil, kann hierin angegeben werden, dass das erste Bauteil vom zweiten Bauteil «radial auswärts» oder «aussenliegend» ist. Der Begriff «axial» bezieht sich auf eine zu einer Achse parallele Bewegung oder Position. Und schliesslich bezieht sich der Begriff «in Umfangsrichtung» auf eine Bewegung oder Position um eine Achse. Es ist zu erkennen, dass derartige Begriffe in Bezug auf die Mittelachse der Turbine angewendet werden können.

[0030] Als Hintergrund, jetzt Bezug nehmend auf die Figuren, veranschaulichen die Fig. 1 bis 4 eine beispielhafte Verbrennungsturbinenmaschine, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Der Fachmann versteht, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diesen speziellen Nutzungstyp beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann in Verbrennungsturbinenmaschinen verwendet werden, wie jenen, die in der Stromerzeugung, in Flugzeugen sowie in anderen Maschinentypen verwendet werden. Sofern nicht anders angegeben, ist nicht vorgesehen, dass die gegebenen Beispiele beschränkend sind.

[0031] Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Verbrennungsturbinenmaschine 10. Im Allgemeinen funktionieren Verbrennungsturbinenmaschinen, indem sie einem druckbeaufschlagten Heissgasstrom, der durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft erzeugt wird, Energie entnehmen. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Verbrennungsturbinenmaschine 10 mit einem Axialverdichter 11, der durch eine gemeinsame Welle oder einen gemeinsamen Läufer mechanisch mit einem oder einer stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder Turbine 13 gekoppelt ist, und einer zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 13 positionierten Brennkammer 12 ausgestaltet sein.

[0032] Fig. 2 veranschaulicht eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 11, der in der Verbrennungsturbinenmaschine von Fig. 1 verwendet werden kann. Wie gezeigt, kann der Verdichter 11 mehrere Stufen beinhalten. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 15 beinhalten. Daher kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 beinhalten, die sich um eine mittlere Welle drehen, gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 15, die während des Betriebs unbeweglich bleiben.

[0033] Fig. 3 veranschaulicht eine Teilansicht eines bzw. einer beispielhaften Turbinenabschnitts oder Turbine 13, die in der Verbrennungsturbinenmaschine von Fig. 1 verwendet werden kann. Die Turbine 13 kann mehrere Stufen beinhalten. Abgebildet sind drei beispielhafte Stufen, in der Turbine 13 können sich aber mehr oder weniger Stufen befinden. Eine erste Stufe beinhaltet mehrere Turbinenlaufschaufeln 16, die sich während des Betriebs um die Welle drehen, und mehrere Leitschaufeln 17, die während des Betriebs ortsfest bleiben. Die Turbinenleitschaufein 17 sind im Allgemeinen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse befestigt. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können zur Drehung um die Welle (nicht gezeigt) an einem Turbinenrad (nicht gezeigt) montiert sein. Es ist auch eine zweite Stufe der Turbine 13 dargestellt. Die zweite Stufe beinhaltet gleichermassen mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Turbinenleitschaufeln 17 gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Turbinenlaufschaufeln 16, die zur Drehung ebenfalls an einem Turbinenrad montiert sind. Auch eine dritte Stufe ist dargestellt und beinhaltet gleichermassen mehrere Turbinenleitschaufein 17 und -laufschaufeln 16. Es ist zu beachten, dass die Turbinenleitschaufein 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 im Heissgasweg der Turbine 13 liegen. Die Strömungsrichtung der heissen Gase durch den Heissgasweg wird von dem Pfeil angezeigt. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass die Turbine 13 mehr oder in einigen Fällen weniger Stufen als die in Fig. 3 dargestellten haben kann. Jede zusätzliche Stufe kann eine Reihe von Turbinenleitschaufeln 17 gefolgt von einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln 16 beinhalten.

[0034] In einem Betriebsbeispiel kann die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14 innerhalb des Axialverdichters 11 einen Luftstrom verdichten. In der Brennkammer 12 kann Energie freigesetzt werden, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und entzündet wird. Der sich dadurch ergebende Strom heisser Gase aus der Brennkammer 12, der als das Arbeitsfluid bezeichnet werden kann, wird dann über die Turbinenlaufschaufeln 16 geleitet, wobei der Arbeitsfluidstrom die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 16 um die Welle bewirkt. Dadurch wird die Strömungsenergie des Arbeitsfluids in die mechanische Energie der umlaufenden Schaufeln und, aufgrund der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle, der rotierenden Welle umgesetzt. Die mechanische Energie der Welle kann dann zum Antreiben der Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14, so dass die notwendige Zufuhr von verdichteter Luft erzeugt wird, und auch z.B. eines Generators zur Elektrizitätserzeugung verwendet werden.

[0035] Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel 16 des Typs, bei dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Turbinenlaufschaufel 16 beinhaltet eine Wurzel 21, über die die Laufschaufel 16 an einem Laufrad angebracht wird. Die Wurzel 21 kann einen Schwalbenschwanz beinhalten, der zum Einbau in einer entsprechenden Schwalbenschwanznut im Aussenrand des Laufrads gestaltet ist. Die Wurzel 21 kann ferner einen Schaft beinhalten, der zwischen dem Schwalbenschwanz und einer Plattform 24 verläuft, die an der Verbindungsstelle des Schaufelblatts 25 und der Wurzel 21 angeordnet ist und einen Teil der innenliegenden Grenze des Strömungswegs durch die Turbine 13 definiert. Es ist zu beachten, dass das Schaufelblatt 25 die aktive Komponente der Laufschaufel 16 ist, die den Arbeitsfluidstrom abfängt und das Laufrad zum Drehen veranlasst. Die Schaufel in diesem Beispiel ist zwar eine Turbinenlaufschaufel 16, es ist aber zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Schaufeltypen innerhalb der Turbinenmaschine 10 angewendet werden kann, einschliesslich der Turbinenleitschaufein 17. Es ist erkennbar, dass das Schaufelblatt 25 der Laufschaufel 16 eine konkave druckseitige Aussenwand 26 und eine in Umfangsrichtung oder quer gegenüberliegende konvexe saugseitige Aussenwand 27 beinhaltet, die sich axial zwischen einer Vorder- und einer Hinterkante 28 bzw. 29 erstrecken, die einander entgegengesetzt sind. Die Seitenwände 26 und 27 verlaufen auch von der Plattform 24 in der radialen Richtung zu einer aussenliegenden Spitze 31. (Es ist zu beachten, dass die Anwendung der vorliegenden Erfindung möglicherweise nicht auf Turbinenlaufschaufeln beschränkt ist, sondern auch auf Leitschaufeln anwendbar ist. Die Nutzung von Laufschaufeln in den mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen ist, wenn nicht anders angegeben, beispielhaft.).

[0036] Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Innenwand, wie sie im Schaufelblatt 25 einer Laufschaufel mit einer konventionellen Konstruktion zu finden sein kann. Wie angedeutet, kann die Aussenfläche des Schaufelblatts 25 von einer relativ dünnen druckseitigen Aussenwand 26 und saugseitigen Aussenwand 27 definiert werden, die über mehrere radial verlaufende und sich überkreuzende Rippen 60 verbunden sein können. Die Rippen 60 sind so gestaltet, dass sie dem Schaufelblatt 25 strukturelle Unterstützung bieten und gleichzeitig auch mehrere radial verlaufende und im Wesentlichen getrennte Strömungsdurchgänge 40 definieren. Die Rippen 60 verlaufen gewöhnlich radial, um die Strömungsdurchgänge über einen Grossteil der radialen Höhe des Schaufelblatts 25 hinweg abzuteilen, der Strömungsdurchgang kann aber, wie unten noch weiter besprochen wird, am Aussenrand des Schaufelblatts entlang verbunden sein, um einen Kühlkreis zu definieren. Das heisst, die Strömungsdurchgänge 40 können am aussenliegenden oder innenliegenden Rand des Schaufelblatts 25 sowie über eine Anzahl kleinerer Verbindungsdurchgänge oder Prallöffnungen (nicht gezeigt), die dazwischen positioniert sein können, in Strömungsverbindung sein. Auf diese Weise können gewisse der Strömungsdurchgänge 40 zusammen einen gewundenen oder geschlängelten Kühlkreis bilden. Ausserdem können Filmkühlungslöcher (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die Auslässe bereitstellen, durch die Kühlmittel aus den Strömungsdurchgängen 40 auf die Aussenfläche des Schaufelblatts 25 hinausgelassen wird.

[0037] Zu den Rippen 60 können zwei verschiedene Typen gehören, die dann, wie hierin vorgesehen ist, weiter unterteilt werden können. Ein erster Typ, eine Skelettlinienrippe 62, ist gewöhnlich eine längere Rippe, die parallel oder etwa parallel zur Skelettlinie des Schaufelblatts verläuft, die eine sich von der Vorderkante 28 zur Hinterkante 29 erstreckende Bezugslinie ist, welche die Mittelpunkte zwischen der druckseitigen Aussenwand 28 und der saugseitigen Aussenwand 27 verbindet. Wie oft der Fall ist, beinhaltet die konventionelle Anordnung von Fig. 5 zwei Skelettlinienrippen 62, eine druckseitige Skelettlinienrippe 63, die angesichts dessen, wie sie von der druckseitigen Aussenwand 26 versetzt und nahe an ihr ist, auch als die druckseitige Innenwand bezeichnet werden kann, und eine saugseitige Skelettlinienrippe 64, die auch als die angesichts dessen, wie sie von der saugseitigen Aussenwand 27 versetzt und nahe an ihr ist, auch als die saugseitige Innenwand bezeichnet werden kann. Wie erwähnt, wird dieser Konstruktionstyp aufgrund der vorherrschenden vier Hauptwände, zu denen die zwei Seitenwände 26, 27 und die zwei Skelettlinienrippen 63, 64 gehören, oft als eine «vierwandige» Anordnung bezeichnet.

[0038] Der zweite Rippentyp wird hierin als eine Querrippe 66 bezeichnet. Querrippen 66 sind die kürzeren Rippen, welche die Wände und Innenrippen der vierwandigen Anordnung verbindend gezeigt werden. Wie angezeigt, können die vier Wände durch eine Anzahl von Querrippen 66 verbunden sein, die je nachdem, mit welcher der Wände sie verbunden sind, noch weiter eingestuft werden können. Wie hierin verwendet, werden die Querrippen 66, welche die druckseitige Aussenwand 26 mit der druckseitigen Skelettlinienrippe 63 verbinden, als die druckseitigen Querrippen 67 bezeichnet. Die Querrippen 66, welche die saugseitige Aussenwand 27 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 verbinden, werden als saugseitige Querrippen 68 bezeichnet. Schliesslich werden die Querrippen 66, welche die druckseitige Skelettlinienrippe 63 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 verbinden, als mittlere Querrippen 69 bezeichnet.

[0039] Im Allgemeinen hat die vierwandige Innenanordnung in einem Schaufelblatt 25 den Zweck, für effiziente wandnahe Kühlung zu sorgen, wobei die Kühlluft in Kanälen neben den Aussenwänden 26, 27 des Schaufelblatts 25 strömt. Es ist zu beachten, dass wandnahe Kühlung vorteilhaft ist, weil die Kühlluft sich in enger Nähe der heissen Aussenflachen des Schaufelblatts befindet, und die resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten sind aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit, die durch Drosselung des Durchflusses durch schmale Kanäle erzielt wird, hoch sind. Derartige Auslegungen sind aber dafür anfällig, aufgrund unterschiedlicher in dem Schaufelblatt 25 erfahrener Wärmeausdehnungsgrade eine Kurzzeitermüdung zu erfahren, die im Endeffekt die Lebensdauer der Laufschaufel verkürzen kann. Zum Beispiel ist die Wärmeausdehnung der saugseitigen Aussenwände 27 im Betrieb grösser als die der saugseitigen Skelettlinienrippe 64. Diese unterschiedliche Ausdehnung führt meist zur Vergrösserung der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 und verursacht dadurch Belastungen zwischen jeder dieser Strukturen sowie jener Strukturen, die sie miteinander verbinden. Ausserdem ist die Wärmeausdehnung der druckseitigen Aussenwand 26 auch grösser als die der kühleren druckseitigen Skelettlinienrippe 63. In diesem Fall führt die Differenz zur Verkürzung der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 und verursacht dadurch Belastungen zwischen jeder dieser Strukturen sowie jener Strukturen, die sie miteinander verbinden. Die gegensätzlichen Kräfte innerhalb des Schaufelblatts, die in dem einen Fall zur Verkürzung der Schaufelblattskelettlinie tendieren und in dem anderen zu ihrer Verlängerung, können zu weiteren Belastungskonzentrationen führen. Die verschiedenen Arten, auf die sich diese Kräfte zeigen, werden angesichts der besonderen strukturellen Anordnung eines Schaufelblatts und der Art und Weise, wie die Kräfte dann ausgeglichen und kompensiert werden, zu einem bedeutenden bestimmenden Faktor der Teillebensdauer der Laufschaufel 16.

[0040] Spezieller neigt in einer üblicheren Situation die saugseitige Aussenwand 27 dazu, sich am Scheitelpunkt ihrer Krümmung nach aussen zu biegen, wenn der Kontakt mit den hohen Temperaturen des Heissgaswegs sie zur Wärmeausdehnung veranlasst. Es ist zu erkennen, dass die saugseitige Skelettlinienrippe 64, die eine Innenwand ist, nicht den gleichen Wärmeausdehnungsgrad erfährt und daher nicht die gleiche Tendenz hat, sich nach aussen zu biegen. Die Skelettlinienrippe 64 widersteht dann der wärmebedingten Vergrösserung der Aussenwand 27. Weil konventionelle Konstruktionen Skelettlinienrippen 62 haben, die mit steifen Geometrien, die wenig oder keine Nachgiebigkeit bieten, ausgebildet sind, können die sich daraus ergebenden Widerstands- und Belastungskonzentrationen beträchtlich sein. Das Problem wird noch dadurch erschwert, dass die Querrippen 66, die zur Verbindung der Skelettlinienrippe 62 mit der Aussenwand 27 verwendet werden, mit linearen Profilen ausgebildet und im Allgemeinen im rechten Winkel zu den Wänden, mit denen sie verbunden sind, ausgerichtet sind. Angesichts dieser Tatsache fungieren die Querrippen 66 bei der Ausdehnung der erhitzten Strukturen mit bedeutend unterschiedlichen Ausdehnungsraten eigentlich zum Festhalten der «kalten» räumlichen Beziehung zwischen der Aussenwand 27 und der Skelettlinienrippe 64. Dementsprechend sind konventionelle Anordnungen mit wenig oder keiner in die Struktur eingebauten «Nachgiebigkeit» schlecht zur Entschärfung der Belastungen geeignet, die sich in gewissen Regionen der Struktur konzentrieren. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung führt zu Kurzzeitermüdungsproblemen, welche die Bauteillebensdauer verkürzen.

[0041] In der Vergangenheit wurden bereits viele verschiedene innere Kühlsysteme und strukturelle Anordnungen für Schaufelblätter bewertet und es wurde versucht, dieses Problem zu berichtigen. Ein derartiger Ansatz schlägt die Überkühlung der Aussenwände 26, 27 vor, so dass die Temperaturdifferenz und dadurch die Wärmeausdehnungsdifferenz verringert werden. Es ist aber zu beachten, dass die Art und Weise, wie dies gewöhnlich bewerkstelligt wird, darin besteht, die durch das Schaufelblatt umgewälzte Kühlmittelmenge zu vergrössern. Weil Kühlmittel gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Luft ist, beeinträchtigt sein erhöhter Verbrauch den Wirkungsgrad der Maschine und ist somit eine Lösung, die vorzugsweise zu vermeiden ist. Andere Lösungen haben die Verwendung von verbesserten Herstellungsverfahren und/oder kompliziertere Innenkühlungsstrukturen vorgeschlagen, die zwar die gleiche Kühlmittelmenge verwenden, sie aber effizienter nutzen. Diese Lösungen haben sich zwar in gewisser Hinsicht als effektiv erwiesen, jede bringt aber entweder zusätzliche Kosten für den Betrieb der Maschine oder die Herstellung des Teils mit sich und tut nichts, um das zugrundeliegende Problem direkt anzugehen, nämlich die geometrischen Mängel konventioneller Konstruktion angesichts dessen, wie sich Schaufelblätter während des Betriebs wärmebedingt ausdehnen.

[0042] Die vorliegende Erfindung lehrt allgemein gewisse sich krümmende oder blasenartige oder sinusförmige oder wellige Innenrippen (im Folgenden «wellige Rippen»), die unausgeglichene Wärmebelastungen beseitigen, die oft im Schaufelblatt von Turbinenschaufeln auftreten. Im Rahmen dieses allgemeinen Konzepts beschreibt die vorliegende Erfindung mehrere Methoden, wie dies erreicht werden kann, zu denen wellige Skelettlinienrippen 62 und/oder Querrippen 66 sowie gewisse Typen von abgewinkelten Verbindungen zwischen ihnen und Skelettlinienrippen 62, die zwischen sie verbindenden Querrippen 66 ein sich verschmälerndes Profil haben, zählen. Es ist zu beachten, dass diese neuen Anordnungen – die, wie in den angehängten Ansprüchen umrissen, separat oder kombiniert eingesetzt werden können – die Steifigkeit der Innenstruktur des Schaufelblatts 25 reduzieren, um eine zielgerichtete Flexibilität bereitzustellen, durch die Belastungskonzentrationen zerstreut und Beanspruchungen auf andere strukturelle Regionen übertragen werden, die sie besser aushalten können. Dies kann z.B. das Ableiten an eine Region beinhalten, welche die Beanspruchung über eine grössere Fläche oder vielleicht Struktur verteilt, die Zugspannungen zugunsten einer Druckbelastung abgibt, die gewöhnlich bevorzugt wird. Auf diese Weise können die Lebensdauer verkürzende Belastungskonzentrationen und Beanspruchungen vermieden werden.

[0043] Fig. 6 bis 8 bieten Querschnittsansichten einer Turbinenlaufschaufel 16 mit einer Innenwandanordnung gemäss Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Anordnung von Rippen 60, die sowohl als strukturelle Unterstützung als auch als Unterteilungen verwendet werden, die hohle Schaufelblätter 25 in miteinander verbundene radial verlaufende Strömungsdurchgänge 40 aufteilen. Diese Strömungsdurchgänge 40 leiten einen Kühlmittelstrom auf besondere Weise durch das Schaufelblatt 25, so dass seine Nutzung zielgerichtet und effizienter ist. Die hierin gegebenen Beispiele werden zwar so gezeigt, wie sie in Turbinenlaufschaufeln 16 verwendet werden könnten, es ist aber zu erkennen, dass die gleichen Konzepte auch in Turbinenleitschaufein 17 eingesetzt werden können. Fig. 6 veranschaulicht eine Rippenanordnung der vorliegenden Erfindung, die eine Skelettlinienrippe 62 mit einem welligen Profil hat (es ist vorgesehen, dass sich der Betriff «Profil», wie hierin verwendet, auf die Form bezieht, die die Rippen in den Querschnittsansichten der Fig. 6 bis 8 haben). Eine Skelettlinienrippe 62, wie oben beschrieben, ist eine der längeren Rippen, die sich von einer Position nahe der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 in Richtung auf die Hinterkante 29 erstreckt. Diese Rippen werden als «Skelettlinienrippen» bezeichnet, weil der von ihnen beschriebene Weg etwa parallel zur Skelettlinie des Schaufelblatts 25 ist, die eine Bezugslinie ist, die zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante 29 des Schaufelblatts 25 durch eine Sammlung von Punkten verläuft, die den gleichen Abstand zwischen der konkaven druckseitigen Aussenwand 26 und der konvexen saugseitigen Aussenwand 27 haben. Gemäss der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein «welliges Profil» eines, das eine merklich gekrümmte und sinusförmige Form hat, wie angedeutet. Das heisst, das «wellige Profil» ist eines, das ein hin- und hergehendes «S»-Profil darstellt.

[0044] Das bzw. die mit dem Wellenprofil gestaltete Segment oder Länge der Skelettlinienrippe 62 kann in Abhängigkeit von Konstruktionskriterien variieren. In den gegebenen Beispielen erstreckt sich die wellige Skelettlinienrippe 62 gewöhnlich von einer Position nahe der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 zu einer Position, die jenseits des Mittelpunkts der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 liegt. Es ist zu beachten, dass der wellige Teil der Skelettlinienrippe 62 eine kürzere Länge haben kann, während er noch die gleichen hierin besprochenen Typen von Leistungsvorteilen ergibt. Die Zahl der Krümmungen sowie die Länge des welligen Segments der Skelettlinienrippe 62 können zum Erzielen der besten Ergebnisse variiert werden. In gewissen Ausführungsformen wird die wellige Skelettlinienrippe 62 der vorliegenden Erfindung von der Zahl vollständiger hin- und hergehender «S»-Formen definiert, die sie enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Typs beinhaltet die wellige Skelettlinienrippe 62 wenigstens eine kontinuierliche hin- und hergehende «S»-Form. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die wellige Skelettlinienrippe 62 wenigstens zwei aufeinanderfolgende und kontinuierliche hin- und hergehende «S»-Formen. Es ist zu erkennen, dass die in den Fig. 6 und 7 gegebenen Beispiele jeweils Wege beschreiben, die mehr als zwei vollständige «S»-Formen haben. Bezüglich der Gesamtlänge kann das wellige Segment der Skelettlinienrippe 62 über einen beträchtlichen Teil der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 hinweg verlaufen. Zum Beispiel, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, macht der wellige Teil der Skelettlinienrippe 62 in einer bevorzugten Ausführungsformüber 69 % der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 aus. Das heisst, der wellige Teil der Skelettlinienrippe 62 geht von nahe der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 aus und verläuft nach hinten und weit über den Scheitelpunkt der Krümmung des Schaufelblatts 25 hinaus.

[0045] [Es ist zu beachten, dass eine wellige Skelettlinienrippe 62 angesichts ihres gewundenen Profils einen Weg beschreibt, der in seiner Richtung variiert. Die wellige Skelettlinienrippe 62 der vorliegenden Erfindung kann immer noch als einen allgemein sich wölbenden Weg aufweisend beschrieben werden, über den sie sich windet, und dass dieser Weg gewöhnlich von einem Ausgangspunkt nahe der Vorderkante 28 zu einem hinteren Punkt nahe der Hinterkante 29 des Schaufelblatts verläuft. Es ist zu beachten, dass es im Fall einer welligen Skelettlinienrippe 62 dieser allgemeine sich wölbende Weg ist, der grob parallel zur Skelettlinie des Schaufelblatts 25 ist.

[0046] Viele bekannte Anordnungen des Schaufelblatts 25, wie das oben besprochene vierwandige Beispiel von Fig. 5 , beinhalten zwei Skelettlinienrippen 62. Dieser Anordnungstyp kann eine druckseitige Skelettlinienrippe 62, die sich nahe der druckseitigen Aussenwand 26 befindet, und eine saugseitige Skelettlinienrippe 64, die sich nahe der saugseitigen Aussenwand 27 befindet, aufweisend beschrieben werden. Die vorliegende Erfindung, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, kann Anordnungen beinhalten, in denen sowohl die saugseitige Skelettlinienrippe 64 als auch die druckseitige Skelettlinienrippe 63 als wellige Rippen ausgebildet sind. In alternativen Ausführungsformen kann nur eine dieser Skelettlinienrippen 62 ein welliges Profil haben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch in Anordnungen mit nur einer einzelnen Skelettlinienrippe 62 einsetzt werden kann.

[0047] Bei Schaufelblättern 25, die zwei Skelettlinienrippen 62 beinhalten, ist zu beachten, dass die druckseitige Skelettlinienrippe 63 und die saugseitige Skelettlinienrippe 64 einen mittleren Strömungsdurchgang 40 definieren. Das wellige Profil für die druckseitige Skelettlinienrippe 63 und die saugseitige Skelettlinienrippe 64 kann jeweils relativ zu der Form definiert sein, die dem mittleren Strömungsweg 40 zugekehrte aufeinanderfolgende Segmente der Skelettlinienrippe 62 einnehmen. Das heisst, das wellige Profil der Skelettlinienrippe 62 kann zum Beispiel relativ zum zentralen Strömungsweg 40 als zwei aufeinanderfolgende Segmente beinhaltend beschrieben werden, bei denen ein erstes konkaves Segment in ein zweites konvexes Segment übergeht. In einer alternativen Ausführungsform kann das wellige Profil vier aufeinanderfolgende Segmente haben, in denen: ein erstes konkaves Segment in ein zweites konvexes Segment übergeht, das zweite konvexe Segment in ein drittes konkaves Segment übergeht und das dritte konkave Segment in ein viertes konvexes Segment übergeht.

[0048] In gewissen Ausführungsformen lehrt die vorliegende Erfindung gewisse Anordnungen von Querrippen 66, die eingesetzt werden können, um die Nachgiebigkeit des Schaufelblatts 25 abzustimmen. Querrippen 66, wie hierin verwendet, sind die kürzeren Rippen, die quer durch das Schaufelblatt 25 verlaufen. Querrippen 66 werden zum Verbinden von Skelettlinienrippen 62 mit anderen Skelettlinienrippen oder mit einer der Aussenwände 26, 27 des Schaufelblatts 25 verwendet. Es ist zu beachten, dass bei einer derartigen Anordnung Querrippen 66 auch als Trennwände zu den Strömungsdurchgängen 40 dienen, die zwischen den Aussenwänden 26, 27 und den Skelettlinienrippen 62 ausgebildet sind. Wie veranschaulicht, sind die druckseitige Aussenwand 26 und die druckseitige Skelettlinienrippe 63 so angeordnet, dass sie zwischen sich einen druckseitigen Strömungsdurchgang 40 definieren. Desgleichen sind die saugseitige Aussenwand 27 und die saugseitige Skelettlinienrippe 64 so angeordnet, dass sie zwischen sich einen saugseitigen Strömungsdurchgang 40 definieren. Zwischen der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und der druckseitigen Skelettlinienrippe 63 ist der mittlere Strömungsdurchgang 40 definiert. Wie angedeutet, können diese Strömungsdurchgänge 40 dann von den Querrippen 66 weiter unterteilt werden. In gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbinden mehrere druckseitige Querrippen 67 die druckseitige Aussenwand 26 mit der druckseitigen Skelettlinienrippe 63. Die druckseitigen Querrippen 67 unterteilen so den druckseitigen Strömungsdurchgang 40 in eine Anzahl separater, axial stapelförmig angeordneter Strömungsdurchgänge 40. Desgleichen verbinden mehrere saugseitige Querrippen 68 die saugseitige Aussenwand 27 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und unterteilen den saugseitigen Strömungsdurchgang 40 in eine Anzahl separater, axial stapelförmig angeordneter Strömungsdurchgänge 40. Mittlere Querrippen 69 verbinden die druckseitige Skelettlinienrippe 63 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und untergliedern den mittleren Strömungsdurchgang auf ähnliche Weise.

[0049] Die Skelettlinienrippen 62 und die Querrippen 66 können als radial verlaufende Wände angeordnet sein. Das heisst, diese Rippen können die in den Querschnittansichten der Fig. 6 bis 8 gezeigten Profile bilden, während sie radial zwischen den zwei Enden des Schaufelblatts 25 verlaufen. Auf diese Weise können die druckseitigen Strömungsdurchgänge, die saugseitigen Strömungsdurchgänge und die mittleren Strömungsdurchgänge 40 radial zwischen einem innenliegenden Ende, das nahe der Grenzfläche zwischen dem Schaufelblatt 25 und der Schaufelwurzel 21 ist, und einem aussenliegenden Ende, das nahe der aussenliegenden Spitze des Schaufelblatts 25 ist, verlaufen. Im Gebrauch kann eine Kühlmittelzufuhr über einen Versorgungsdurchgang, der durch eine Schaufelwurzel 21 verläuft, zu einem oder mehreren der innenliegenden Enden der Strömungsdurchgänge 40 zugeführt werden. Es ist zu beachten, dass die Strömungsdurchgänge 40 an ihren innen- oder aussenliegenden Enden selektiv miteinander verbunden werden können, um einen geschlängelten Kühlmittelweg durch das Schaufelblatt 25 herzustellen.

[0050] Wie in Fig. 6 veranschaulicht, können Rippenanordnungen der vorliegenden Erfindung mehrere Querrippen 66 auf jeder der Druck- und der Saugseite des Schaufelblatts 25 beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform können wenigstens fünf druckseitige Querrippen 67 und fünf saugseitige Querrippen 68 eingeschlossen sein. Mehrere mittlere Querrippen 69 können ebenfalls vorgesehen sein, in anderen Ausführungsformen kann aber auch eine einzelne Querrippe 69 verwendet werden. In den bevorzugten Ausführungsformen kann, wie gezeigt, die vorliegende Erfindung wenigstens zwei mittlere Querrippen 69 beinhalten. Die vorliegende Erfindung beschreibt des Weiteren ein Verbindungsgebilde, durch das die Querrippen 66 mit den Aussenwänden 26, 27 und/oder den Skelettlinienrippen 62 verbunden sind. Es ist zu erkennen, dass der Winkel, in dem die Querrippen 66 sich mit derartigen Wänden 26, 27, 62 schneiden, als ein «Verbindungswinkel» beschrieben werden kann (es ist zu erkennen, dass der genannte «Verbindungswinkel» der kleinere der zwei Winkel ist, die auf beiden Seiten jedes Endes einer Querrippe zwischen der Querrippe und der von ihr geschnittenen Wand ausgebildet sind). In konventionellen Schaufelblattanordnungen, wie oben erwähnt, ist der Verbindungswinkel ein steiler, allgemein nahe an 90°. Es ist zu erkennen, dass steile Winkel wie dieser eine steife Struktur ergeben. Die vorliegende Erfindung lehrt Winkel, die bedeutend kleiner als 90° sind, als eine Methode, mit der die Struktur des Schaufelblatts 25 oder Zielbereiche der Struktur nachgiebiger gemacht werden können. Gemäss einer Ausführungsform, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, können wenigstens zwei der druckseitigen Querrippen 67 so angeordnet sein, dass sie einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad zur druckseitigen Aussenwand 26 haben. Gemäss anderen Ausführungsformen, wie angedeutet, können wenigstens zwei der saugseitigen Querrippen 68 so angeordnet sein, dass sie mit der saugseitigen Aussenwand 27 einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad bilden. Die mittleren Querrippen 69 können ähnlich gebildet sein und Anordnungen der vorliegenden Erfindung beinhalten wenigstens einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad an jeder der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und der druckseitigen Skelettlinienrippe 63. Wo grössere Nachgiebigkeit erforderlich ist, können Ausführungsformen beinhalten, dass drei der druckseitigen Querrippen 67 und drei der saugseitigen Querrippen 68 so angeordnet sind, dass sie einen Verbindungswinkel zu den Aussenwänden 26, 27 von weniger als 60 Grad haben, und wenigstens zwei der mittleren Querrippen 69 können so angeordnet sein, dass sie an jeder der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und der druckseitigen Skelettlinienrippe 63 einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad bilden.

[0051] Die vorliegende Erfindung beschreibt ferner eine weitere Weise, auf die die Querrippen 66 die strukturelle Nachgiebigkeit verbessern können. Querrippen 66 sind gewöhnlich mit einem linearen Profil ausgebildet, was, wie zu erkennen ist, zu einer steifen und unnachgiebigen Anordnung führt. Gemäss gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Querrippen 66 ein gekrümmtes Profil aufweisend angeordnet. Speziell, wie in jedem der Beispiele in den Fig. 6 bis 8 gezeigt wird, können die Querrippen 69 ein gekrümmtes, bogenförmiges oder sich wölbendes Profil beinhalten. Mit diesem Profil werden die Querrippen 66 viel nachgiebiger und mehr in der Lage, relative Bewegung zwischen den von ihnen miteinander verbundenen Strukturwänden aufnehmen. Die Richtung, in der das gekrümmte sich wölbende Profil der Querrippe ausgerichtet ist, kann manipuliert werden, um den Typen erwarteter Belastungen gerecht zu werden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 6 veranschaulicht, kann die Wölbung der mittleren Querrippe 69 so gerichtet sein, dass die konkave Stirnfläche der mittleren Querrippe 69 auf die Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 gerichtet ist. Diese Ausrichtung kann an allen der Querrippen 69 vorgenommen werden, die in einer speziellen Struktur oder einem Bruchteil davon enthalten sind. In einer alternativen Ausführungsform, wie in Fig. 7 veranschaulicht, kann die Wölbung der mittleren Querrippen 69 so gerichtet sei, dass die konvexe Stirnfläche der Querrippe von der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 weggerichtet ist. Dieser Profiltyp kann an allen der mittleren Querrippen 69 oder nur einem Bruchteil von ihnen verwendet werden.

[0052] Gemäss der vorliegenden Erfindung kann die Innenstruktur eines Schaufelblatts entlang der Skelettlinienrichtung des Schaufelblatts wellige Rippen beinhalten. Indem die Skelettlinienrippe 62 auf diese Weise zu einer Feder gemacht wird, kann das innere Rückgrat des Schaufelblatts nachgiebiger gemacht werden, so dass Leistungsvorteile erzielt werden können. Ausserdem können die Querrippen der Schaufelblattstruktur gekrümmt sein, um den Belastungsweg weiter zu erweichen und um mit den Rippen 62 und den durch sie verbundenen Aussenwänden 26, 27 nachgiebigere Verbindungen herzustellen. Während die normalen linearen Rippenkonstruktionen hohe Belastung und Kurzzeitermüdung aufgrund des thermischen Konflikts zwischen den inneren Kühlraumwänden und den viel heisseren Aussenwänden erfahren, sieht die vorliegende Erfindung einen federartigen Aufbau vor, der Belastungskonzentrationen besser verstreuen kann, was, wie hierin vorgesehen, zur Verbesserung der Lebensdauer des Bauteils verwendet werden kann.

[0053] Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, in dem ein oder mehrere Segmente 73 einer Skelettlinienrippe 62 mit einem sich verschmälernden Profil 72 oder ausgebildet sind. Gemäss der vorliegenden Erfindung und wie hierin verwendet, ist ein «sich verschmälerndes Profil» eines, bei dem die Rippendicke sich von entgegengesetzten Enden 75 des Segments 73 her verschmälert, um einen Hals oder eine schmale Region zwischen ihnen zu bilden. Auf andere Weise beschrieben, ist ein sich verschmälerndes Profil eines, bei dem das Skelettlinienrippensegment 73 eine Dicke hat, die sich auf seinem Verlauf 75 von dem Hals 74 nach aussen allmählich in beiden Richtungen aufweitet oder verdickt. Es ist zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 bei dieser Anordnung einer Sanduhrform ähnlich ist.

[0054] Das sich verschmälernde Profil 72 der vorliegenden Erfindung kann in Strömungsdurchgängen 40 enthalten sein, die von einer Skelettlinienrippe 62 einwärts definiert sind. In bevorzugten Ausführungsformen, wie angedeutet, ist das sich verschmälernde Profil 72 auf ein Skelettlinienrippensegment 73 angewendet, das in Bezug auf die Anordnung von wandnahen Strömungsdurchgängen 40 definiert ist, die zwischen der Skelettlinienrippe 62 und einer der Aussenwände 26, 27 des Schaufelblatts 25 ausgebildet ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Segment 73 mit dem sich verschmälernden Profil 72 zwischen aufeinanderfolgenden Querrippen 66 definiert. Speziell ist zu erkennen, dass die wandnahen Strömungsdurchgänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Querrippen 66 definiert sind, welche die Aussenwand 26, 27 des Schaufelblatts 25 mit einer Skelettlinienrippe 62 verbinden. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Skelettlinienrippensegment 73, auf das das sich verjüngende Profil 72 angewendet wird, die Länge der Skelettlinienrippe 62, die zwischen den Punkten definiert ist, an welchen jede dieser aufeinanderfolgenden Rippen 66 die Skelettlinienrippe 62 schneidet. Das so definierte Skelettlinienrippensegment 73 kann als ein Querrippe-Querrippe-Segment bezeichnet werden.

[0055] Wie in Fig. 8 angedeutet, kann das sich verschmälernde Profil 72 mit Skelettlinienrippen 62 verwendet werden, die eine wellige oder sinusförmige Form haben, wobei es in diesem Fall mit jeder beliebigen der Anordnungen verwendet werden kann, die oben in Bezug auf andere Aspekte der vorliegenden Erfindung besprochen werden. Das sich verschmälernde Profil 72 ist aber nicht auf diesen Nutzungstyp beschränkt. Wie in Fig. 7 gezeigt, kann das sich verschmälernde Profil 72 in Verbindung mit traditionell ausgebildeten Skelettlinienrippen 62 verwendet werden, d.h. jenen, die eine Achse haben, die im Wesentlichen linear ist. In bevorzugten Ausführungsformen kann das sich verschmälernde Profil 72 an den Skelettlinienrippen 62 von zwei oder mehreren nacheinander ausgebildeten Strömungsdurchgängen 40 verwendet werden. Es ist aber zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 noch gewisse Leistungsvorteile bieten kann, wenn es an dem Skelettliniensegment 73 eines einzelnen Strömungsdurchgangs 40 verwendet wird. Es ist auch zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 an Skelettliniensegmenten 73 der druckseitigen Skelettlinienrippen 62, der saugseitigen Skelettlinienrippen 62 oder beiden verwendet werden kann.

[0056] [Wie in den Fig. 7 und 8 vorgesehen, kann das sich verschmälernde Profil 72 eine gekrümmte oder lineare Form beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das sich verschmälernde Profil 72 eine konturierte Form, die sich ab dem Hals 74 zunehmend verbreitert. Wie angedeutet, kann der Hals 74 in einer bevorzugten Ausführungsform an oder nahe dem Mittelpunkt des Segments 73 der Skelettlinienrippe 62 positioniert sein. Es versteht sich, dass der Hals 74 als eine «Halsdicke» aufweisend beschrieben wird, während jedes der entgegengesetzten Enden 75 des Segments 73 als eine «Enddicke» aufweisend beschrieben werden kann, die in den Fig. 7 bzw. 8 als Abstand 77 bzw. Abstand 78 dargestellt werden. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Enddicke 78 jedes der Enden 75 wenigstens 1,5-mal so gross wie die Halsdicke 77. In einer alternativen Ausführungsform ist die Enddicke 78 jedes der Enden 75 wenigstens zweimal so gross wie die Halsdicke 77. Das sich verschmälernde Profil zwischen den entgegengesetzten Enden 75 und dem Hals 74 kann sich auf glatte und/oder konstante Weise verschmälern, was Belastungskonzentrationen minimiert.

[0057] Es ist zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 der vorliegenden Erfindung eine weitere Weise vorsieht, auf die die Nachgiebigkeit der Schaufelblattstruktur verbessert oder weiter abgestimmt werden kann, um Belastungen infolge unausgeglichener thermischer Ausdehnung zu minimieren oder zu verteilen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das sich verschmälernde Profil 72 in Verbindung mit Aspekten der welligen Skelettlinienrippen 62 verwendet werden, um die Nachgiebigkeit der «Feder», die diese Rippen allgemein bilden, zu verbessern. In diesem Fall versteht es sich, dass das sich verschmälernde Profil 72 die Federwirkung der welligen Wände verbessert und dadurch die von der Innenstruktur des Schaufelblatts 25 erfahrene Belastung reduziert. In diesem Sinne ist mit weiterem Bezug auf Fig. 8 zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 die gekrümmten Segmente 73 der welligen Rippen mit der Nachgiebigkeit versieht, um sich als Reaktion auf eine Zugbeanspruchung geradezurichten und sich als Reaktion auf eine Druckbeanspruchung weiter zu biegen. Wie angegeben, kann das sich verschmälernde Profil 72 als Mittel zum Versehen der Schaufelblattstruktur mit wenigstens einem gewissen Grad an verbesserter Nachgiebigkeit auch mit konventionelleren Skelettlinienrippen 62 des linearen Typs verwendet werden. Das resultierende geringere Belastungsniveau, das dieser Rippenanordnungstyp bereitstellt, kann zur Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils verwendet werden.

[0058] Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf die mehreren beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, des Weiteren selektiv angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um eine gewisse Kürze zu bewahren und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns werden zwar nicht alle möglichen Iterationen bereitgestellt oder ausführlich besprochen, es ist aber vorgesehen, dass alle von den mehreren Ansprüchen unten oder anderweitig umfassten Kombinationen und möglichen Ausführungsformen Teil der vorliegenden Patentanmeldung bilden. Ausserdem können fachkundige Personen anhand der obigen Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen erkennen. Es ist vorgesehen, dass derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb der Fähigkeiten der Technik ebenfalls von den angehängten Ansprüchen abgedeckt werden. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das Vorangehende sich nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung bezieht und dass hierin zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Patentanmeldung, wie sie von den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert wird, abzuweichen.

[0059] Eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt und einer radial verlaufenden Kammer darin für ein Kühlmittel. Die Turbinenschaufel kann auch eine Rippenanordnung beinhalten, welche die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge untergliedert. Die Rippenanordnung kann beinhalten: eine Skelettlinienrippe, die eine wandnahe Strömungskammer definiert, und Querrippen, die zwischen der Skelettlinienrippe und einer der Aussenwände verlaufen, um die wandnahe Strömungskammer in nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge zu unterteilen, die jeweils ein Segment der Skelettlinienrippe beinhalten. Das Segment der Skelettlinienrippe von einem der Strömungsdurchgänge kann ein sich verschmälerndes Profil haben, das ein Profil beinhaltet, das sich von entgegengesetzten Enden zu einem dazwischen angeordneten Hals hin verschmälert.

Bezugszeichenliste

[0060] <tb>Verbrennungsturbinenmaschine<SEP>10 <tb>Verdichter<SEP>11 <tb>Brennkammer<SEP>12 <tb>Turbine<SEP>13 <tb>Verdichterlaufschaufel<SEP>14 <tb>Verdichterleitschaufel<SEP>15 <tb>Turbinenlaufschaufel<SEP>16 <tb>Turbinenleitschaufel<SEP>17 <tb>Wurzel<SEP>21 <tb>Plattform<SEP>24 <tb>Schaufelblatt<SEP>25 <tb>Druckseitige Aussenwand<SEP>26 <tb>Saugseitige Aussenwand<SEP>27 <tb>Vorderkante<SEP>28 <tb>Hinterkante<SEP>29 <tb>Aussenliegende Spitze<SEP>31 <tb>Strömungsdurchgang<SEP>40 <tb>Mittlerer Strömungsdurchgang<SEP>41 <tb>Vorderkanten-Strömungsdurchgang<SEP>42 <tb>Druckseitiger wandnaher Strömungsdurchgang<SEP>43 <tb>Saugseitiger wandnaher Strömungsdurchgang<SEP>44 <tb>Zuleitung<SEP>45 <tb>Loch<SEP>46 <tb>Verbindungsdurchgang<SEP>47 <tb>Prallverbinder<SEP>48 <tb>Oberflächenauslass<SEP>49 <tb>Rippe<SEP>60 <tb>Skelettlinienrippe<SEP>62 <tb>Druckseitige Skelettlinienrippe<SEP>63 <tb>Saugseitige Skelettlinienrippe<SEP>64 <tb>Querrippe<SEP>66 <tb>Druckseitige Querrippe<SEP>67 <tb>Saugseitige Querrippe<SEP>68 <tb>Mittlere Querrippe<SEP>69 <tb>Sich verschmälerndes Profil<SEP>72 <tb>Skelettlinienrippensegment<SEP>73 <tb>Hals<SEP>74 <tb>Segmentende<SEP>75 <tb>Halsdicke<SEP>77 <tb>Enddicke<SEP>78

Claims (10)

1. Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, das von Aussenwänden definiert wird, wobei eine konkav geformte druckseitige Aussenwand und eine konvex geformte saugseitige Aussenwand an Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und dazwischen eine radial verlaufende Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden, wobei die Turbinenschaufel ferner Folgendes beinhaltet: eine Rippenanordnung, die die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge untergliedert, wobei die Rippenanordnung Folgendes beinhaltet: eine Skelettlinienrippe, die neben einer der Aussenwände entlang verläuft, um dazwischen eine wandnahe Strömungskammer zu definieren, und Querrippen, die zwischen der Skelettlinienrippe und der einen der Aussenwände verlaufen, um die wandnahe Strömungskammer in nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge zu unterteilen, wobei jeder der Strömungsdurchgänge von einem Segment der Skelettlinienrippe einwärts definiert wird, wobei das Segment der Skelettlinienrippe von einem der Strömungsdurchgänge ein sich verschmälerndes Profil aufweist, wobei das sich verschmälernde Profil ein Profil umfasst, das sich von entgegengesetzten Enden zu einem dazwischen angeordneten Hals hin verschmälert.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei das sich verschmälernde Profil ein Querschnittprofil umfasst und/oder wobei das Segment der Skelettlinienrippe ein Querrippe-Querrippe-Segment umfasst, bei dem jedes der entgegengesetzten Enden an einem Schnittpunkt mit einer der Querrippen definiert wird, und/oder wobei die Querrippen drei axial stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge bilden und wobei das Segment der Skelettlinienrippe für jeden der drei axial stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei die Querrippen wenigstens zwei axial stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge bilden, wobei das Segment der Skelettlinienrippe für jeden der zwei axial stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist.

4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, wobei das Segment der Skelettlinienrippe für jeden der drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils eine lineare Achse aufweist und/oder wobei die Segmente der Skelettlinienrippe für die drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge eine wellige Achse aufweisen.

5. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Skelettlinienrippe eine druckseitige Skelettlinienrippe umfasst, die neben und nahe der druckseitigen Aussenwand entlang verläuft, wobei die Querrippen zwischen der druckseitigen Skelettlinienrippe und der druckseitigen Aussenwand verlaufen, um die drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei die Strömungsdurchgänge jeweils von der druckseitigen Aussenwand, zwei einander gegenüberliegenden Querrippen und, gegenüber der druckseitigen Aussenwand, dem Segment der druckseitigen Skelettlinienrippe definiert werden.

6. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Skelettlinienrippe eine saugseitige Skelettlinienrippe umfasst, die neben und nahe der saugseitigen Aussenwand entlang verläuft, wobei die Querrippen zwischen der saugseitigen Skelettlinienrippe und der saugseitigen Aussenwand verlaufen, um die drei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei die Strömungsdurchgänge jeweils von der saugseitigen Aussenwand, zwei einander gegenüberliegenden Querrippen und, gegenüber der saugseitigen Aussenwand, dem Segment der saugseitigen Skelettlinienrippe definiert werden.

7. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippenanordnung zwei Skelettlinienrippen beinhaltet: eine druckseitige Skelettlinienrippe, die neben der druckseitigen Aussenwand entlang verläuft und dazwischen eine wandnahe Strömungskammer bildet, und eine saugseitige Skelettlinienrippe, die neben der saugseitigen Aussenwand entlang verläuft und dazwischen eine wandnahe Strömungskammer bildet, wobei die Querrippen zwischen der druckseitigen Skelettlinienrippe und der druckseitigen Aussenwand verlaufen, um wenigstens zwei nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei das Segment der druckseitigen Skelettlinienrippe für jeden der zwei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist, und wobei die Querrippen zwischen der saugseitigen Skelettlinienrippe und der saugseitigen Aussenwand verlaufen, um wenigstens zwei nacheinander stapelförmig angeordnete Strömungsdurchgänge zu bilden, wobei das Segment der saugseitigen Skelettlinienrippe für jeden der zwei nacheinander stapelförmig angeordneten Strömungsdurchgänge jeweils das sich verschmälernde Profil aufweist.

8. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die druckseitige Skelettlinienrippe und/oder die saugseitige Skelettlinienrippe ein welliges Profil aufweist, das wenigstens zwei aufeinanderfolgende hin- und hergehende «S»-Formen beinhaltet.

9. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hals des sich verschmälernden Profils nahe einem Mittelpunkt zwischen den entgegengesetzten Enden der Segmente der Skelettlinienrippe angeordnet ist und/oder wobei jedes der entgegengesetzten Enden eine Enddicke aufweist und der Hals eine Halsdicke aufweist und wobei die Enddicke wenigstens 1,5-mal so gross wie die Halsdicke ist und/oder wobei jedes der entgegengesetzten Enden eine Enddicke aufweist und der Hals eine Halsdicke aufweist und wobei die Enddicke wenigstens zweimal so gross wie die Halsdicke ist und/oder wobei die Verschmälerung zwischen jedem der entgegengesetzten Enden und dem Hals konstant ist, die Verschmälerung zwischen jedem der entgegengesetzten Enden und dem Hals glatt ist.

10. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbinenschaufel eine Turbinenlaufschaufel umfasst.