CH710576A2 - Turbinenschaufel mit mehreren Kühlkanälen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel (16) für eine Turbine einer Strömungsmaschine, die ein Blatt (25) beinhaltet, wobei das Blatt (25) eine Anströmkante (28) eine Abströmkante (29), eine aussenliegende Spitze und ein innenliegendes Ende aufweist. Das Blatt (25) weist ferner eine Kühlstruktur auf, die mehrere Kühlkanäle (33) zum Aufnehmen und Lenken eines Kühlmittels aufweist. Die mehreren Kühlkanäle (33) können einen linearen Kühlkanal und einen gekrümmten Kühlkanal (34) beinhalten. Die Schaufel (16) weist auch eine von dem Blatt (25) definierte konturierte Form zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze auf, wobei die konturierte Form so gestaltet ist, dass sie einen Zielbereich (41) beinhaltet, der von einer linearen Bezugslinie, die sich radial von einer Stelle am innenliegenden Ende des Blattes (25) aus erstreckt, nicht erreicht werden kann. Die gekrümmten Kühlkanäle (34) sind so gestaltet, dass sie sich so zwischen einem in Strömungsrichtung oberen Ende und einem in Strömungsrichtung unteren Ende erstrecken, dass sie den Zielbereich (41) dazwischen schneiden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft interne Kühlkanäle von Turbinenschaufeln in Gasturbinen. Genauer, aber nicht beschränkend, betrifft die vorliegende Erfindung nicht-lineare interne Kühlkanäle, die innerhalb langer Laufschaufeln innerhalb der hinteren Reihen von Turbinenlaufschaufeln ausgebildet sind.

[0002] Man beachte, dass Gasturbinen im Allgemeinen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweisen. Der Verdichter- und der Turbinenabschnitt weisen im Allgemeinen Reihen von Schaufeln auf, die axial in Stufen gestaffelt sind. Jede Stufe weist eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Leitschaufeln, die fixiert sind, und eine Reihe von Laufschaufeln auf, die sich um eine mittlere Turbinenachse oder -welle drehen. Im Betrieb drehen sich die Verdichterlaufschaufeln um die Welle und wirken mit den Leitschaufeln zusammen, um einen Luftstrom zu verdichten. Die zugeführte verdichtete Luft wird dann in der Brennkammer verwendet, um zugeführten Brennstoff zu verbrennen. Der resultierende Strom aus heissen, sich ausdehnenden Gasen aus der Verbrennung, d.h. das Arbeitsfluid, dehnt sich auf dem Weg durch den Turbinenabschnitt der Maschine aus. Der Strom des Arbeitsfluids durch die Turbine bewirkt, dass sich die Laufschaufeln drehen. Die Laufschaufeln sind so mit einer mittleren Welle verbunden, dass die Drehung der Laufschaufeln die Welle dreht.

[0003] Auf diese Weise wird die Energie, die im Brennstoff enthalten ist, in die mechanische Energie der Drehwelle umgewandelt, die beispielsweise verwendet werden kann, um die Laufschaufeln des Verdichters zu drehen, so dass die zur Verbrennung erforderliche Zufuhr an verdichteter Luft produziert wird, sowie die Spulen eines Generators, so dass elektrische Leistung erzeugt wird. Während des Betriebs werden die Turbinenschaufeln, die wie beschrieben allgemein sowohl die rotierenden Laufschaufeln als auch die festen, in Umfangsrichtung beabstandeten Leitschaufeln beinhalten, wegen der extremen Temperaturen des Heissgaswegs, der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und der Drehzahl der Maschine durch extreme mechanische und thermische Belastungen stark beansprucht.

[0004] Wegen des ständig wachsenden Energiebedarfs wird weiterhin und dringend danach gestrebt, effizientere Gasturbinen zu entwickeln. Auch wenn mehrere Strategien zur Erhöhung des Wirkungsgrads von Strömungsmaschinen bekannt sind, bleibt dies ein schwierig zu erreichendes Ziel, da diese Alternativen, die beispielsweise die Vergrösserung der Maschine, die Erhöhung der Temperaturen im Heissgasweg und die Erhöhung der Drehzahlen der Laufschaufeln beinhalten, im Allgemeinen eine zusätzliche Belastung der Teile darstellen, die bereits stark beansprucht sind, beispielsweise der Lauf- und Leitschaufeln der Turbine. Infolgedessen besteht ein dringender Bedarf an verbesserten Vorrichtungen, Verfahren und/oder Systemen, die betriebsbedingte Belastungen der Turbinenschaufeln verringern oder die es den Turbinenschaufeln ermöglichen, diesen Belastungen besser standzuhalten. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass eine Strategie zur Minderung der Wärmebelastung der Schaufeln darin besteht, sie während des Betriebs zu kühlen. Eine effektive Kühlung kann beispielsweise ermöglichen, dass die Schaufeln höheren Brenntemperaturen standhalten, höheren mechanischen Belastungen bei hohen Betriebstemperaturen standhalten, und/oder die Lebensdauer von Bauteilen der Schaufeln verlängern, was alles einen rentableren und effektiveren Betrieb der Strömungsmaschine ermöglicht. Eine Möglichkeit, die Schaufeln während des Betriebs zu kühlen, ist die Verwendung von internen Kühlmittelleitungswegen oder -kreisläufen. Generell beinhaltet dies das Leiten einer Zufuhr relativ kühler verdichteter Luft, die vom Verdichter der Strömungsmaschine geliefert werden kann, durch interne Kühlkanäle innerhalb der Schaufeln. Während die verdichtete Luft durch die Schaufel strömt, kühlt sie die Schaufel durch Konvektion, wodurch das Bauteil Brenntemperaturen standhalten kann, die es ansonsten nicht aushalten könnte.

[0005] Man wird erkennen, dass aus mehreren Gründen grosse Sorgfalt beim Entwerfen der Struktur dieser Kühlkanäle bei ihrer Herstellung nötig ist. Erstens hat die Verwendung von Kühlluft Auswirkungen. Das heisst, Luft, die zum Kühlen vom Verdichter zum Turbinenabschnitt der Maschine umgelenkt wird, umgeht die Brennkammer und senkt somit den Wirkungsgrad der Maschine. Somit müssen Kühlmittelleitungswege so entworfen werden, dass Luft auf sehr effiziente Weise genutzt wird, d.h. die notwendige flächenmässige Versorgung und Kühlwirkung bereitgestellt wird, damit nur eine möglichst geringe Menge Luft für diesen Zweck erforderlich ist. Zweitens sind neuere, aggressiver geformte aerodynamische Schaufelstrukturen dünner und stärker gekrümmt oder gewunden, was häufig die Verwendung linearer Kühlkanäle, die über die gesamte Länge der Turbinenschaufel verlaufen, unmöglich macht, während die geringe Dicke der Schaufeln eine hohe Leistung der Kühlmittelleitungswege erfordert, die trotzdem ein kompaktes Design haben müssen. Um mechanische Belastungen zu verringern, können Kühlmittelleitungswege drittens so ausgebildet werden, dass überflüssiges Gewicht von der Schaufel genommen wird; jedoch müssen die Schaufeln trotzdem stark sein, um den extremen mechanischen Belastungen standhalten zu können. Kühlkanäle müssen daher so entworfen werden, dass die Turbinenschaufel eine leichte, aber starke Konstruktion aufweist, während Spannungskonzentrationen, die sich negativ auf die Belastbarkeit der Schaufeln auswirken würden, vermieden werden. Somit besteht ein kommerzieller Bedarf an Kühlstrukturen für Turbinenschaufeln, die gut für aggressiver geformte, dünnere aerodynamische Schaufelstrukturen geeignet sind, eine leichtgewichtigere Innenkonstruktion der Schaufel begünstigen, die strukturelle Tragkraft der Komponente bewahren, und dabei einen hohen Kühlwirkungsgrad bereitstellen,

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0006] Die vorliegende Erfindung beschreibt somit eine Schaufel für eine Turbine einer Gasturbine, die ein Blatt aufweist, wobei das Blatt eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine aussenliegende Spitze und ein innenliegendes Ende aufweist, wobei das Blatt an einem Fuss angebracht ist, die dafür ausgelegt ist, die Turbinenschaufel mit einer Rotorscheibe zu verbinden. Das Blatt kann ferner eine Kühlstruktur aufweisen, die mehrere längliche Kühlkanäle zum Aufnehmen und Lenken von Kühlmittel durch das Blatt beinhaltet. Die mehreren Kühlkanäle können mindestens einen linearen Kühlkanal und einen gekrümmten Kühlkanal beinhalten. Die Schaufel kann auch eine von dem Blatt definierte konturierte Form zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze aufweisen, wobei die konturierte Form so gestaltet ist, dass sie einen Zielbereich beinhaltet, der von einer linearen Bezugslinie, die radial von einer Stelle am innenliegenden Ende des Blattes aus verläuft, nicht erreicht werden kann. Die gekrümmten Kühlkanäle können so gestaltet sein, dass sie sich so zwischen einem in Strömungsrichtung oberen Ende und einem in Strömungsrichtung unteren Ende erstrecken, dass sie den Zielbereich dazwischen schneiden.

[0007] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn sich der Kühlmittelzulauf durch den Fuss der Schaufel hindurch erstreckt, so dass er mit einer Kühlmittelquelle verbunden ist; wobei die Schaufel eine Laufschaufel umfasst und der gekrümmte Kühlkanal ein nach dem Giessen ausgebildetes Merkmal aufweist; und wobei die lineare Bezugslinie eine umfasst, die sich zwischen der aussenliegenden Spitze und dem innenliegenden Ende des Blattes erstreckt.

[0008] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass der gekrümmte Kühlmittelleitungsweg am in Strömungsrichtung oberen Ende eine Verbindung mit einem in Strömungsrichtung unteren Ende eines linearen Kühlmittelleitungswegs umfasst, wobei die Verbindung eine Position innerhalb des Blattes umfasst; wobei sich der lineare Kühlmittelleitungsweg zwischen der Verbindung mit dem gekrümmten Kühlmittelleitungsweg und einer Verbindung mit dem Kühlmittelzulauf erstreckt.

[0009] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die konturierte Form des Blattes mindestens eine der folgenden umfasst: eine konkav geformte druckseitige Fläche und eine konvex geformte saugseitige Fläche, die entlang der Anström- und Abströmkanten verbunden sind; und eine radiale Beugungskomponente, mit der ein Bogen entlang einer Längsachse des Blattes gebildet wird.

[0010] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die konturierte Form des Blattes eine Verwindung um eine Längsachse des Blattes aufweist, wobei die Verwindung so gestaltet ist, dass sie einen Staffelungswinkel für das Blatt allgemein zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze variiert.

[0011] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die konturierte Form des Blattes eine Verjüngung entlang einer Längsachse des Blattes aufweist, wobei die Verjüngung mindestens eine der folgenden umfasst: eine axiale Verjüngung, durch die ein Abstand zwischen der Anströmkante und der Abströmkante zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze des Blattes allmählich kleiner wird; eine Verjüngung in Umfangsrichtung, durch die eine Dicke zwischen der druckseitigen Fläche und der saugseitigen Fläche zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze des Blattes allmählich geringer wird.

[0012] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die Struktur der linearen Nichtzugänglichkeit des Zielbereichs eine Kombination aus mindestens zweien der Folgenden umfasst: die Verwindung um die Längsachse des Blattes; die Verjüngung entlang der Längsachse des Blattes; und die radiale Beugungskomponente, durch die der Bogen entlang der Längsachse des Blattes definiert wird; und wobei eine Krümmung des gekrümmten Kühlmittelleitungswegs so gestaltet ist, dass sie einer Krümmung der konturierten Form des Blattes entspricht.

[0013] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, das das in Strömungsrichtung untere Ende des gekrümmten Kühlmittelleitungswegs durch eine Aussenfläche des Blattes hindurch mit einer Austrittsöffnung verbunden ist, wobei die Austrittsöffnung an mindestens einer der folgenden angeordnet ist: aussenliegende Spitze; druckseitige Fläche; saugseitige Fläche; Anströmkante; Abströmkante.

[0014] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass der gekrümmte Kühlmittelleitungsweg am in Strömungsrichtung oberen Ende eine Verbindung mit dem Kühlmittelzulauf hat, wobei die Verbindung eine Position in der Nähe des innenliegenden Endes des Blattes umfasst.

[0015] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass der gekrümmte Kühlmittelleitungsweg am in Strömungsrichtung oberen Ende eine Verbindung mit einem in Strömungsrichtung unteren Ende eines linearen Kühlmittelleitungswegs umfasst, wobei die Verbindung eine Position innerhalb des Blattes umfasst; wobei sich der lineare Kühlmittelleitungsweg zwischen der Verbindung mit dem gekrümmten Kühlmittelleitungsweg und einer Verbindung mit dem Kühlmittelzulauf erstreckt.

[0016] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass das Blatt eine führende Hälfte/Anströmhälfte und eine nachgeführte Hälfte/Abströmhälfte aufweist, die auf jeder Seite einer axialen Mittellinie definiert sind, die Mittelpunkte der Blattwölbungslinien verbindet; wobei das Blatt radial gestaffelte Abschnitte umfasst, die innerhalb und ausserhalb einer radialen Mittellinie des Blattes definiert sind, wobei sich ein innenliegender Abschnitt zwischen dem Fuss und der radialen Mittellinie erstreckt und sich ein aussenliegender Abschnitt zwischen der radialen Mittellinie und der aussenliegenden Spitze erstreckt; und wobei die Kühlstruktur eine Mehrzahl von gekrümmten Kühlkanälen umfasst.

[0017] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass das in Strömungsrichtung obere Ende jedes gekrümmten Kühlkanals eine Position in der Nähe der axialen Mittellinie und des innenliegenden Endes des Blattes umfasst; und wobei die gekrümmten Kühlkanäle eine Krümmung umfassen, die zu den Auslassöffnungen hin gewölbt sind, die an mindestens einer der folgenden ausgebildet sind: Anströmkante des Blattes; Abströmkante des Blattes.

[0018] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass sich jeder von den gekrümmten Kühlkanälen parallel in Bezug auf die anderen gekrümmten Kühlkanäle und entlang einer Krümmung erstreckt, die zur Abströmkante in dem Blatt gewölbt ist; wobei die Auslassöffnungen einen radialen Abstand entlang der Abströmkante des Blattes umfassen.

[0019] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die in Strömungsrichtung oberen Enden der gekrümmten Kühlkanäle innerhalb der führenden Hälfte des Blattes positioniert sind und die Auslassöffnungen durch die Aussenfläche der nachgeführten Hälfte des Blattes hindurch ausgebildet sind.

[0020] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die Laufschaufel dafür ausgelegt ist, in einer mehrstufigen Turbine in einer hinteren Reihe von Laufschaufeln zu arbeiten; wobei der Zielbereich innerhalb der aussenliegenden Sektion des Blattes positioniert ist.

[0021] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass der Zielbereich innerhalb der nachgeführten Hälfte des Blattes angeordnet ist, und wobei jeder der gekrümmten Kühlkanäle eine Krümmung umfasst, die zur Abströmkante des Blattes hin gewölbt ist.

[0022] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die Kühlstruktur mehrere von den linearen Kühlkanälen und mehrere gekrümmte Kühlkanäle umfasst, die jeweils ein in Strömungsrichtung oberes Ende in der Nähe des innenliegenden Endes des Blattes aufweisen; und wobei sich jeder von den linearen Kühlkanälen und den gekrümmten Kühlkanälen über zumindest dem grössten Teil einer radialen Höhe des Blattes erstreckt.

[0023] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass sich jeder von den gekrümmten Kühlkanälen parallel von einer innenliegenden Position, wo sie jeweils an einer mittigen Verbindungsstelle mit einem von den linearen Kühlkanälen verbunden sind, zu einer aussenliegenden Position erstreckt, wo sie jeweils mit einer der Auslassöffnungen verbunden sind.

[0024] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass einer von den gekrümmten Kühlkanäle eine Krümmung aufweist, die einer Oberflächenkontur der druckseitigen Fläche des Blattes entspricht; und wobei jeder von den gekrümmten Kühlkanälen eine Krümmung umfasst, die einer Oberflächenkontur der saugseitigen Fläche des Blattes entspricht.

[0025] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass sich die gekrümmten Kühlkanäle radial in Bezug auf eine Krümmung eines Bereichs der Aussenfläche des Blattes erstrecken; und wobei der gekrümmte Kühlkanal einen im Wesentlichen konstanten Abstand vom Bereich der Aussenfläche des Blattes beibehält.

[0026] In jeder Ausführungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die gekrümmten Kühlkanäle ein nach dem Giessen ausgebildetes Merkmal umfassen, dass nach dem Giessen der Schaufel durch ein Abtragverfahren ausgebildet wird; und wobei das Abtragverfahren ein lenkbares elektrochemisches Abtragverfahren oder ein auf elektrischer Entladung basierendes Abtragverfahren umfasst.

[0027] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen deutlich werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0028] Diese und andere Merkmale der Erfindung werden besser verstanden werden durch die eingehende Lektüre der folgenden ausführlicheren Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen: <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Strömungsmaschine ist, in der Schaufeln gemäss Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können; <tb>Fig. 2<SEP>eine Querschnittsdarstellung des Verdichterabschnitts der auf Verbrennung basierenden Strömungsmaschine von Fig. 1 ist; <tb>Fig. 3<SEP>eine Querschnittsdarstellung des Turbinenabschnitts der auf Verbrennung basierenden Strömungsmaschine von Fig. 1 ist; <tb>Fig. 4<SEP>eine Seitenansicht eines Beispiels für eine Turbinenschaufel ist, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können; <tb>Fig. 5<SEP>eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5–5 von Fig. 4 ist; <tb>Fig. 6<SEP>eine Querschnittsansicht entlang der Linie 6–6 von Fig. 4 ist; <tb>Fig. 7<SEP>eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7–7 von Fig. 4 ist; <tb>Fig. 8<SEP>eine Querschnittsansicht entlang der Linie 8–8 von Fig. 4 ist; <tb>Fig. 9<SEP>eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für eine Turbinenschaufel ist, die eine verwundene, gekrümmte und sich verjüngende Struktur aufweist, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können; <tb>Fig. 10<SEP>eine Teil-Querschnittsansicht entlang der Linie 10–10 von Fig. 9 ist; <tb>Fig. 11<SEP>eine Seitenansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die herkömmliche lineare Kühlkanäle darstellt; <tb>Fig. 12<SEP>eine perspektivische Ansicht der in Fig. 11 dargestellten Turbinenlaufschaufel ist; <tb>Fig. 13<SEP>eine Seitenansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die gekrümmte Kühlkanäle gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; <tb>Fig. 14<SEP>eine perspektivische Ansicht der in Fig. 13 dargestellten Turbinenlaufschaufel ist; <tb>Fig. 15<SEP>eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel mit gekrümmten Kühlkanälen gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen darstellt; <tb>Fig. 16<SEP>eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die gekrümmte Kühlkanäle gemäss eine alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen darstellt; und <tb>Fig. 17<SEP>eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel mit gekrümmten Kühlkanälen gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0029] Aspekte und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung geschildert oder können aus der Beschreibung hervorgehen oder können durch die Praktizierung der Erfindung erlernt werden. Nun wird ausführlich auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, für die eines oder mehrere Beispiele in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Die ausführliche Beschreibung numerische Bezeichnungen, um auf Merkmale in den Zeichnungen Bezug zu nehmen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung können verwendet werden, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Ausführungsformen der Erfindung Bezug zu nehmen. Man beachte, dass jedes Beispiel zur Erläuterung der Erfindung, aber nicht zur Beschränkung der Erfindung angegeben wird. Tatsächlich wird der Fachmann erkennen, dass Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von ihrem Bereich oder Gedanken abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben werden, in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch andere Ausführungsform zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Änderungen, die im Bereich der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen, abdecken. Man beachte, dass die hierin genannten Bereiche und Grenzen sämtliche Teilbereiche beinhalten, die innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen, einschliesslich der Grenzen an sich, solange nichts anderes angegeben ist. Ausserdem wurden bestimmte Begriffe gewählt, um die vorliegende Erfindung und die Teilsysteme und Bauteile, aus denen sie aufgebaut ist, zu beschreiben. So weit möglich, wurden diese Begriffe auf Basis der Terminologie gewählt, die auf dem Gebiet der Technik üblich ist. Dennoch ist zu beachten, dass solche Begriffe häufig unterschiedlich interpretiert werden. Etwas, das hierin beispielsweise als einzelne Komponente bezeichnet werden kann, kann anderswo als etwas betrachtet werden, das aus mehreren Komponenten besteht, oder etwas, das hierin als etwas bezeichnet wird, das mehrere Komponenten beinhaltet, kann anderswo als einzelne Komponente betrachtet werden. Um den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verstehen, sollte man nicht nur auf die jeweils verwendete Terminologie achten, sondern auch auf die begleitende Beschreibung und auf den Kontext, ebenso wie auf den Aufbau, die Gestaltung, die Funktion und/oder die Nutzung der benannten und beschriebenen Komponente, einschliesslich der Art und Weise, wie der Begriff auf die mehrere Figuren Bezug nimmt, ebenso wie natürlich auf die exakte Verwendung der Terminologie in den beigefügten Ansprüchen. Obwohl die folgenden Beispiele in Bezug auf eine bestimmte Art von Turbine bzw. Strömungsmaschine präsentiert werden, kann die Technik der vorliegenden Erfindung auch auf andere Arten von Turbinen anwendbar sein, wie ein Durchschnittsfachmann auf dem einschlägigen technischen Gebiet erkennen wird.

[0030] Angesichts der Natur eines Strömungsmaschinenbetriebs können in der Beschreibung mehrere veranschaulichende Begriffe verwendet werden, um die Funktionsweise der Maschine und/oder der darin enthaltenen mehreren Teilsysteme oder Komponenten zu erläutern, und es mag von Vorteil sein, diese Begriffe zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. So sind diese Begriffe und ihre Definitionen, solange nichts anderes angegeben wird, wie folgt. Ohne weitere Spezifizierung bezeichnen die Begriffe «vorder» bzw. «hinter» Richtungen in Bezug auf die Ausrichtung der Gasturbine. Das heisst, «vorder» bezeichnet das vordere oder verdichterseitige Ende der Maschine, und «hinter» bezeichnet das hintere oder turbinenseitige Ende der Maschine. Man beachte, dass jeder dieser Begriff verwendet werden kann, um eine Bewegung oder relative Position innerhalb der Maschine anzugeben. Die Begriffe «in Strömungsrichtung unten» und bzw. «in Strömungsrichtung oben» werden verwendet, um eine Position innerhalb einer bestimmten Leitung in Bezug auf die allgemeine Richtung des dort hindurchfliessenden Stroms anzugeben. (Man beachte, dass diese Begriffe eine Richtung in Bezug auf einen während eines Normalbetriebs erwarteten Strom angeben, was sich für einen Durchschnittsfachmann von selbst verstehen wird). Der Begriff «in Strömungsrichtung unten» bezeichnet die Richtung, in der das Fluid durch die bezeichnete Leitung strömt, während «in Strömungsrichtung oben» die dazu entgegengesetzte Richtung bezeichnet. So kann zum Beispiel der primäre Strom eines Arbeitsfluids durch eine Strömungsmaschine, der zu Anfang aus Luft besteht, die sich durch den Verdichter bewegt, und dann in der Brennkammer und jenseits davon zu Brenngasen wird, so beschrieben werden, dass er an einer in Strömungsrichtung oberen Stelle nahe eines oberen oder vorderen Endes des Verdichters beginnt und an einer in Strömungsrichtung unteren Stelle in der Nähe eines unteren oder hinteren Endes der Turbine endet. Was die Beschreibung eines Stroms innerhalb einer Brennkammer einer herkömmlichen Art betrifft, ist zu beachten, dass, wie weiter unten ausführlicher erörtert werden wird, aus dem Verdichter abgegebene Luft typischerweise durch Prallöffnungen in die Brennkammer eintritt, die (in Bezug auf die Längsachse der Brennkammer und die oben genannten Verdichter-/Turbinenpositionen, die Unterscheidungen zwischen vorder/hinter definieren) zum hinteren Ende der Brennkammer konzentriert sind. Nach ihrem Eintritt in die Brennkammer wird die verdichtete Luft von einem Ringkanal, der um eine Innenkammer herum ausgebildet ist, zum vorderen Ende der Brennkammer geleitet, wo der Luftstrom in die Innenkammer eintritt und, nachdem er seine Strömungsrichtung umgekehrt hat, zum hinteren Ende der Brennkammer strömt. In einem noch anderen Kontext können Kühlmittelströme durch Kühlmittelleitungswege auf die gleiche Weise behandelt werden.

[0031] Ausserdem können angesichts dessen, dass der Verdichter und die Turbine mit einer gemeinsamen Mittelachse gestaltet sind, ebenso wie angesichts der zylindrischen Struktur, die vielen Brennkammertypen gemeinsam ist, hierin Begriffe verwendet werden, die eine Position in Bezug auf eine Achse beschreiben. Was dies betrifft, so ist zu beachten, dass der Begriff «radial» eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse bezeichnet. In diesem Zusammenhang kann es nötig sein, einen relativen Abstand von der Mittelachse zu beschreiben. Wenn beispielsweise eine erste Komponente näher an der Mittelachse liegt als eine zweite Komponente, wird in diesem Fall die erste Komponente als «radial innenliegend» oder «einwärts» von der zweiten Komponente beschrieben. Wenn dagegen die erste Komponente weiter weg von der Mittelachse liegt als die zweite Komponente, wird die erste Komponente hierin als «radial aussenliegend» oder «auswärts» von der zweiten Komponente beschrieben. Ausserdem ist zu beachten, dass der Begriff «axial» eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse bezeichnet. Schliesslich bezeichnet der Begriff «in Umfangs-richtung» eine Bewegung oder Position um eine Achse. Zwar können diese Begriff wie gesagt in Bezug auf die gemeinsame Mittelachse verwendet werden, die sich durch den Verdichter- und den Turbinenabschnitt der Maschine erstreckt, aber diese Begriffe können auch in Bezug auf andere Komponenten oder Teilsysteme der Maschine verwendet werden. Was den technischen Hintergrund betrifft, wird nun auf die Figuren Bezug genommen, von denen die Fig. 1 bis 3 ein Beispiel für eine auf Verbrennung basierende Strömungsmaschine zeigen, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art der Verwendung beschränkt ist. Wie gesagt, kann die vorliegende Erfindung in Strömungsmaschinen verwendet werden, die auf Verbrennung basieren, beispielsweise in den Maschinen, die für die Leistungserzeugung und in Flugzeugen verwendet werden, in Dampfturbinen und anderen Arten von umlaufenden Maschinen. Die angegebenen Beispiele sollen die Art der Strömungsmaschine nicht beschränken.

[0032] Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer auf Verbrennung basierenden Strömungsmaschine 10. Im Allgemeinen arbeiten auf Verbrennung basierende Strömungsmaschinen durch Extrahieren von Energie aus einem verdichteten Strom von heissem Gas, das durch die Verbrennung von Brennstoff in einem Strom verdichteter Luft produziert wird. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann die auf Verbrennung basierende Strömungsmaschine 10 aus einem axialen Verdichter 11, der durch eine gemeinsame Welle oder einen Rotor mechanisch mit einem nachgelagerten Turbinenabschnitt oder einer Turbine 12 verbunden ist, und einer zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 12 angeordneten Brennkammer 13 aufgebaut sein.

[0033] Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Beispiels für einen mehrstufigen axialen Verdichter 11, der in der auf Verbrennung basierenden Strömungsmaschine von Fig. 1 verwendet werden kann. Wie dargestellt, kann der Verdichter 11 mehrere Stufen beinhalten. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 aufweisen, an die sich eine Reihe von Verdichterleitschaufeln 15 anschliesst. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 beinhalten, die sich um eine Mittelachse drehen und an die sich eine Reihe von Verdichterleitschaufeln anschliesst, die während des Betriebs stationär bleiben.

[0034] Fig. 3 zeigt eine Teilansicht eines Beispiels für einen Turbinenabschnitt oder eine Turbine 12, der bzw. die in der auf Verbrennung basierenden Strömungsmaschine von Fig. 1 verwendet werden kann. Die Turbine 12 kann mehrere Stufen beinhalten. Als Beispiele sind drei Stufen dargestellt, aber es können mehr oder weniger Stufen in der Turbine 12 vorhanden sein. Eine erste Stufe weist mehrere Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorblätter 16 auf, die sich während des Betriebs um die Welle drehen, und mehrere Düsen oder Turbinenleitschaufeln 17, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Turbinenleitschaufeln 17 sind allgemein in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse fixiert. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können an einem (nicht gezeigten) Turbinenrad montiert sein, so dass sie sich um die (nicht dargestellte) Welle drehen. Eine zweite Stufe 12 ist ebenfalls dargestellt. Die zweite Stufe weist mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenleitschaufein 17 auf, an die sich mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenlaufschaufeln 16 anschliessen, die drehfähig ebenfalls an einem Turbinenrad montiert sind. Eine dritte Stufe ist ebenfalls dargestellt und weist ebenso mehrere Turbinenleitschaufein 17 und -laufschaufeln 16 auf. Man beachte auch, dass die Turbinenleitschaufein 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 im Heissgasweg der Turbine 12 liegen. Die Richtung des Stroms der heissen Gase durch den Heissgasweg wird von dem Pfeil angegeben. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die Turbine 12 mehr oder, in manchen Fällen, weniger Stufen aufweisen kann als in Fig. 3 dargestellt. Jede zusätzliche Stufe kann eine Reihe von Turbinenleitschaufein 17 aufweisen, an die sich eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln 16 anschliesst.

[0035] In einem Betriebsbeispiel kann die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14 innerhalb des axialen Verdichters 11 einen Luftstrom verdichten. In der Brennkammer 13 kann Energie freigesetzt werden, wenn die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und entzündet wird. Der resultierende Strom heisser Gase aus der Brennkammer 13, der als Arbeitsfluid bezeichnet werden kann, wird dann über die Turbinenlaufschaufeln 16 gelenkt, wobei der Strom des Arbeitsfluids die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 16 um die Welle induziert. Dadurch wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in die mechanische Energie der Laufschaufeln und,, wegen der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle, der Drehwelle umgewandelt. Die mechanische Energie der Welle kann dann verwendet werden, um die Verdichterlaufschaufeln 14 drehend anzutreiben, so dass die notwendige Zufuhr von Druckluft erzeugt wird, und beispielsweise auch für einen Generator, um Elektrizität zu erzeugen.

[0036] Man beachte, dass Laufschaufeln in den hinteren Stufen von Gasturbinen verlängert sind, um die Energie zu maximieren, die aus dem Heissgasstrom extrahiert wird. Wenn die Laufschaufeln länger werden, wird das Blatt 25 um die radiale Achse der Schaufel verwunden und kann für eine verbesserte fluiddynamische Leistung andere gekrümmte Oberflächenkonturen aufweisen, wie bereits erörtert worden ist. Ein weiteres Problem von grösseren Turbinenlaufschaufeln ist die Wirkung einer solchen relativ grossen Masse aufgrund einer Drehung der Schaufel unter einer extrem hohen Temperatur. Um dem zu begegnen, kann das Blatt 25 verjüngt werden, um Gewicht zu reduzieren. Jedoch bleibt eine aktive interne Kühlung des Blattes 25 eine wichtige Komponente bei der Bekämpfung der extremen thermischen und mechanischen Belastungen, denen diese grösseren Laufschaufeln ausgesetzt werden. Man beachte, dass diese Belastungen zu Kriechproblemen und/oder dazu führen können, dass sich die Schaufel aufgrund einer Verformung entwindet, was sich negativ auf die fluiddynamische Leistung und die Lebensdauer von Komponenten der Schaufel auswirken kann.

[0037] Die Überlegungen in Bezug auf die Fluiddynamik im Zusammenhang mit grösseren Laufschaufeln und den geometrischen Beschränkungen, die von ihnen ausgehen, machen die Erzeugung bestimmter herkömmlicher Arten von Kühlstrukturen schwierig, teuer und/oder nicht praxistauglich. Man beachte, das die Kühlung von grossen Turbinenlaufschaufeln im Stand der Technik typischerweise dadurch erreicht wird, dass von der aussenliegenden Spitze oder dem Fuss her radiale Löcher in das Blatt 25 gebohrt werden. Jedoch macht das stark verwundene und verjüngte Profil, das mit den grösseren Laufschaufeln assoziiert ist, ein Bohrung von langen radialen, geraden Linien unmöglich oder zu teuer. Genauer können auf herkömmliche Weise ausgebildete gerade oder lineare radiale Kühlkanäle wegen des gekrümmten und verjüngten Profils des Blattes 25 in dessen Verlauf von der Plattform zur Spitze nicht so gebohrt werden, dass sie bestimmte Bereiche des Blattes 25 von der Spitze zum Fuss versorgen können. Das Giessen solcher Kühlkanäle ist aus mehreren Gründen so teuer, dass es sich nicht lohnt, unter anderem wegen der Tatsache, dass Kernverankerungen, die beim Giessen der Kühlkanäle verwendet werden, in den Formen so leicht beschädigt werden und infolgedessen fehlerhaft gegossen werden. Dies erfordert ganz zielgerichtete und effiziente Kühllösungen. Die Verringerung einer zum Bohren von radialen Löchern verfügbaren Blattquerschnittsfläche ist eine Funktion der Blattverwindung und -Verjüngung. Eine stärkere Blattverwindung und -Verjüngung ergibt eine kleinere Querschnittsfläche, die zum Bohren radialer Kühllöcher zur Verfügung steht. Das Kühlen des grossen, stark verwundenen und verjüngten Blattes durch die Verwendung einer geradlinigen Bohrung bringt möglicherweise nicht den optimalen Wirkungsgrad der Kühlung. Was besonders fehlt, ist die Kühlung an der Anströmkante und der Abströmkante des Blattes. Dies verhindert die Verwendung solcher Blätter in einer Anwendung mit hohen Brenntemperaturen ebenso wie in einem Design mit langsamem Kühlmittelfluss.

[0038] Die Fig. 4 bis 8 zeigen Ansichten einer Turbinenlaufschaufel 16 der oben beschriebenen Art, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Man beachte, dass diese Figuren zusammen mit den Fig. 9 und 10 vorgelegt werden, um gemeinsame geometrische Beschränkungen darzustellen, die interne Kühlstrukturen an ihre Grenze bringen. Wie dargestellt, weist die Laufschaufel 16 einen Fuss 21 auf, durch welche die Laufschaufel 16 an einer Rotorscheibe befestigt ist. Der Fuss 21 kann einen Schwalbenschwanz beinhalten, der so gestaltet ist, dass er in einer entsprechenden Schwalbenschwanznut im Aussenrand der Rotorscheibe befestigt werden kann. Der Fuss 21 kann ferner einen Schaft aufweisen, der sich zwischen dem Schwalbenschwanz und einer Plattform 24 erstreckt, die an der Schwalbenschwanzverbindung des Blattes 25 und dem Fuss 21 angeordnet ist und einen Teil der Innengrenze des Strömungswegs durch die Turbine 12 definiert. Man beachte, dass das Blatt 25 die aktive Komponente der Laufschaufel 16 ist, die den Strom des Arbeitsfluids auffängt und bewirkt, dass sich die Rotorscheibe dreht. Obwohl die Schaufel in diesem Beispiel eine Laufschaufel 16 ist, ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Schaufeln innerhalb der Strömungsmaschine 10 angewendet werden kann, solange nichts anderes angegeben ist, einschliesslich der Leitschaufeln 17, die ähnliche Strukturen aufweisen können. Es ist zu erkennen dass das Blatt 25 der Laufschaufel 16 eine konkave druckseitige Fläche 26 und eine in Umfangsrichtung oder lateral entgegengesetzte konvexe saugseitige Fläche 27 aufweist, die sich jeweils axial zwischen einander entgegengesetzten Anström- und Abströmkanten 28, 29 erstrecken. Die Seitenflächen 26 und 27 erstrecken sich auch in der radialen Richtung von der Plattform 24 zu einer aussenliegenden Spitze 31.

[0039] Das Blatt 25 kann eine gekrümmte oder konturierte Form aufweisen, die sich zwischen dem innenliegenden Ende des Blattes 25 (d.h. wo das Blatt 25 radial von der Plattform 24 ausgeht) und der aussenliegenden Spitze 31 erstreckt. Man beachte, dass bestimmte Regionen oder Bereiche (oder, wie hierin genannt, «Zielbereiche 41») innerhalb der Blätter von radial ausgerichteten Kühlkanälen, die sich entlang linearer Wege oder Bezugslinien erstrecken, nicht mehr erreicht werde können, wenn die gekrümmte oder konturierte Form des Blattes 25 ausgeprägter wird. Solche Zielbereiche 41 existieren wegen der geometrischen Beschränkungen, die von einem modernen aerodynamischen Design auferlegt werden, sowohl in den aussenliegenden als auch den innenliegenden Bereichen des Blattes 25. Diese Zielbereiche 41 können, wie nachstehend erörtert wird, auch vor allem nahe den Anström- und Abströmkanten des Blattes 25 vorliegen, insbesondere nahe an der Abströmkante, und zwar wegen der in der Nähe dieses Endes stärker ausgeprägten Verschmälerung des Blattprofils. Wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, verjüngt sich das Blatt 25 allmählich in seinem Verlauf von der Plattform 24 zur aussenliegenden Spitze 31, was die Nutzung von linearen Kühlkanälen 33 in diesem Bereich beschränkt. Die Verjüngung beinhaltet eine axiale Verjüngung, die den Abstand zwischen der Anströmkante 28 und der Abströmkante 29 des Blattes 25 verschmälert, wie in Fig. 4 dargestellt ist, ebenso wie eine Verjüngung in Umfangsrichtung, die die Dicke des Blattes 25, die zwischen der saugseitigen Fläche 26 und der druckseitigen Fläche 27 definiert ist, verringert. Wie in den Fig. 6 bis 8 dargestellt ist, kann die konturierte Form des Blattes 25 ferner eine Verwindung um eine Längsachse des Blattes 25 aufweisen (d.h. im Verlauf des Blattes in der radialen Richtung in Bezug auf die Turbine). Die Verwindung ist typischerweise so gestaltet, dass sie einen Staffelungswinkel für das Blatt 25 allgemein zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze variiert. Jedoch ist zu beachten, dass die kombinierten Wirkungen der Verjüngungs- und Verwindungsstrukturen eine weitere Beschränkung für die Bereiche innerhalb des Blattes bedeutet, die unter Verwendung linear ausgebildeter Kühlkanäle erreicht werden können, beispielsweise der linearen Kühlkanäle 33, die in Fig. 5 dargestellt sind und die, wie dargestellt, nur innerhalb des zentralen Säule der Laufschaufel 16 positioniert werden können. Der lineare Kühlmittelleitungsweg 33 kann sich, wie ebenfalls gezeigt ist, zwischen einem Kühlmittelzulauf 35 erstrecken, der sich durch den Fuss 21 der Laufschaufel 16 erstreckt. Am anderen Ende des linearen Kühlmittelleitungswegs 33 kann eine Auslassöffnung 37 zum Auslassen des Kühlmittels, das sich durch die Laufschaufel 16 bewegt, ausgebildet sein.

[0040] Für die Zwecke der Beschreibung kann das Blatt 25, wie ferner in Fig. 4 dargestellt ist, so beschrieben werden, dass es eine führende Hälfte und eine nachgeführte Hälfte aufweist, die auf jeder Seite einer axialen Mittellinie 45 definiert sind. Die axiale Mittellinie 45 kann gemäss ihrer Verwendung hierin durch Verbinden der Mittelpunkte 46 der Wölbungslinien 47 des Blattes 25 gebildet werden (siehe Fig. 6 ). Ausserdem kann das Blatt 25 so beschrieben werden, dass es zwei radial gestaffelte Abschnitte aufweist, die innerhalb und ausserhalb einer radialen Mittellinie 48 des Blattes 25 definiert sind. Wie hierin verwendet, erstreckt sich der innenliegende Abschnitt zwischen dem Fuss und der radialen Mittellinie 48, während sich der aussenliegende Abschnitt zwischen der radialen Mittellinie 48 und der aussenliegenden Spitze 31 erstreckt.

[0041] Wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist, kann das Blatt 25 auch eine radiale Beugungskomponente aufweisen, durch die ein Bogen oder eine weitere Krümmung entlang der Längsachse des Blattes 25 definiert wird. Man beachte, dass die Fig. 9 und 10 auch Blattstrukturen zeigen, die eine Verwindung und Verjüngung beinhalten, die, wenn sie zusammen mit der hinzugefügten Krümmung der Beugungskomponente betrachtet werden, deutlich die naturgemässen Hindernisse demonstrieren, die bei der Verwendung linearer Kühlkanäle 32 entstehen, die sämtliche internen Regionen des Blattes 25 erreichen sollen, die während des Betriebs der Turbine bzw. Strömungsmaschine eine aktive Kühlung benötigen.

[0042] Die Fig. 11 und 12 sind Seiten- und perspektivische Ansichten eines Turbinenrotorblatts 16, die herkömmliche lineare Kühlkanäle 33 zeigen, während die Fig. 13 und 14 zum Vergleich Seiten- und perspektivische Ansichten einer Rotorscheibe 16 bereitstellen, die gekrümmte Kühlkanäle 34 gemäss Ausführungsbeispielen zeigen. Wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist, ist der Bereich, der durch lineares Bohren innerhalb eines sich verjüngenden und gekrümmten Blattes 25 erreicht werden kann, auf die mittleren Teile des Blattes 25 beschränkt. Somit sind die Zielbereiche 41, die von den linearen Kühlkanälen 33 nicht erreicht werden können, beträchtlich, insbesondere entlang sowohl der Anström- als auch der Abströmkante. Im Gegensatz dazu zeigen die Fig. 13 und 14 einen deutlich vergrösserten Bereich einer Kühlversorgung, die durch die gekrümmten Kühlkanäle 34 der vorliegenden Erfindung möglich ist. Wie dargestellt, können sich die gekrümmten Kühlkanäle 34 bis hinaus in die stark gekrümmten und schmalen Bereiche erstrecken, die an die Abströmkante des Blattes 25 angrenzen. Ferner können diese gekrümmten Kühlkanäle 34 so ausgebildet sein, dass sie unter und nahe der Oberfläche entweder der druck- oder der saugseitigen Fläche verlaufen. Genauer macht es die gekrümmte Struktur der gekrümmten Kühlkanäle 34 möglich, dass diese der Krümmung jedes der gekrümmten Oberflächenbereiche des Blattes 25 entsprechen und enger folgen. Dies kann eine viel dichtere Anordnung in Bezug auf die zahlreichen konturierten Oberflächen des Blattes 25 ermöglichen als dies ansonsten mit einer linearen Struktur möglich wäre. Man beachte, dass dadurch, dass die Anordnung interner Kühlkreisläufe in grösserer Nähe zur Oberfläche möglich ist, der Wirkungsgrad der Kühlung durch das Kühlmittel gesteigert ist.

[0043] Die Fig. 15 , 16 und 17 sind perspektivische Ansichten von Turbinenlaufschaufeln 16 mit gekrümmten Kühlkanälen 34 gemäss mehreren alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, können die gekrümmten Kühlkanäle 34 so gestaltet sein, dass sie sich zwischen einem oberen Ende und einem in Strömungsrichtung unteren Ende erstrecken, so dass sie einen vordefinierten Zielbereich 41, der dazwischen liegt (d.h. eine Region, die für lineare Kühlkanäle 33 nicht zugänglich ist) durchkreuzen. Gemäss bevorzugten Ausführungsformen können mehrere von den gekrümmten Kühlkanälen 34 vorgesehen sein. Alternativ dazu kann einer oder können mehrere von den gekrümmten Kühlkanälen 34 in Verbindung mit einem oder mehreren linearen Kühlkanälen 33 verwendet werden. Wie in Fig. 15 dargestellt ist, können sich gemäss einer Ausführungsform die gekrümmten Kühlkanäle 34 parallel von einer innenliegenden Position aus erstrecken, wo einer oder mehrere von den gekrümmten Kühlkanälen 34 eine Abzweigung 39 von einem Mittelbereich eines linearen Segments oder eines linearen Kühlkanals 33 bildet. Von Mittelbereichsverbindung 39 können sich die gekrümmten Kühlkanäle 34 zu einer aussenliegenden Stelle erstrecken, wo sie jeweils in eine Auslassöffnung 37 münden.

[0044] Wie in den Fig. 15 und 16 dargestellt ist, können die gekrümmten Kühlkanäle 34 ein in Strömungsrichtung oberes Ende aufweisen, das zentral liegt, d.h. das in der Nähe der axialen Mittellinie angeordnet ist. Das in Strömungsrichtung obere Ende der gekrümmten Kühlkanäle 34 kann auch nahe oder an dem innenliegenden Ende des Blattes 25 angeordnet sein, wo dieses mit einem Kühlmittelzulauf 35 verbunden sein kann. Der Kühlmittelzulauf 35 kann als hohler Leitungsweg gestaltet sein, der sich durch den Fuss 21 der Laufschaufel 16 erstreckt, so dass er mit einer Kühlmittelquelle verbunden ist. Vom in Strömungsrichtung oberen Ende aus können sich die gekrümmten Kühlkanäle 34 in allgemein radialer Richtung erstrecken, während sie eine Krümmung enthalten, die gemäss der konturierten Form des Blattes 25 abbiegt. Wie dargestellt, können die gekrümmten Kühlkanäle 34 eine Krümmung aufweisen, die zu den entlang der Abströmkante 29 des Blattes 25 ausgebildeten Auslassöffnungen 37 abbiegt. Die Auslassöffnungen 37 können entlang der Abströmkante 29 des Blattes 25 radial beabstandet sein. Die in Strömungsrichtung oberen Enden des einen oder der mehreren gekrümmten Kühlkanäle 34 können innerhalb der führenden Hälfte/Anströmhälfte des Blattes 25 angeordnet sein, und die Auslassöffnungen 37, mit denen die gekrümmten Kühlkanäle 34 verbunden sind, können durch eine Aussenfläche hindurch ausgebildet sein, die in der nachgeführten Hälfte/Abströmhälfte des Blattes 25 angeordnet ist. Man beachte, dass eine solche Struktur einen langen Konvektionsweg für das Kühlmittel bietet, was sich auf dessen effiziente Nutzung auswirkt. Wie in Fig. 17 dargestellt ist, können Auslassöffnungen 37 auch in der aussenliegenden Spitze des Blattes 25 ausgebildet sein. Man beachte ausserdem, dass die Auslassöffnungen 37 auch nach Bedarf an jeder Aussenfläche des Blattes 25 ausgebildet sein können, was Auslassöffnungen einschliesst, die als Filmkühlungsauslässe ausgebildet sind, die auf der druckseitigen Fläche 26 oder der saugseitigen Fläche 27 des Blattes 25 ausgebildet sind. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann einer oder können mehrere Auslassöffnungen 37 an der Anströmkante 28 des Blattes 25 ausgebildet sein, so dass sie gekrümmte Kühlkanäle mit dieser Region verbinden.

[0045] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform können die gekrümmten Kühlkanäle 34 als nach dem Giessen ausgebildetes Merkmal gestaltet sein. Wie hierin verwendet, ist ein nach dem Giessen ausgebildetes Merkmal ein Merkmal, das dem Blatt hinzugefügt wird, nachdem ein herkömmliches Giessverfahren den Hauptkörper zu der Komponente ausgebildet hat. Gemäss bestimmten Ausführungsformen werden die gekrümmten Kühlkanäle 34 unter Verwendung eines lenkbaren oder steuerbaren elektrochemischen Abtragverfahrens ausgebildet. Gemäss anderen Ausführungsformen können die gekrümmten Kühlkanäle 34 der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Abtragverfahrens, das auf einer steuerbaren elektrischen Entladung beruht, und/oder von 3D-Druckverfahren ausgebildet werden. Gemäss bestimmten Ausführungsformen kann die Laufschaufel 16, in der die gekrümmten Kühlkanäle 34 verwendet werden, eine sein, die zum Betrieb in einer hinteren oder in Strömungsrichtung unteren Reihe langer Laufschaufeln ausgelegt ist, beispielsweise solchen in mehrstufigen Turbinen.

[0046] Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass viele variierende Merkmale und Strukturen, die oben in Bezug auf mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben sind, ferner selektiv angewendet werden können, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um der Kürze willen und angesichts des Wissens eines Durchschnittsfachmanns sind nicht alle möglichen Schritte im Einzelnen angegeben oder erörtert worden, aber alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die von den mehreren nachstehenden Ansprüchen oder auf andere Weise umfasst sind, sollen Teil der vorliegenden Erfindung sein. Ausserdem wird der Fachmann aus der obigen Beschränkung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung Verbesserungen, Abänderungen und Modifikationen ableiten können. Solche Verbesserungen, Abänderungen und Modifikationen, die im Fachwissen liegen, sollen durch die beigefügten Ansprüche ebenfalls abgedeckt sein. Ferner sei klargestellt, dass die obigen Ausführungen nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung Bezug nehmen und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Bereich der Anmeldung abzuweichen, die von den folgenden Ansprüchen und deren Entsprechungen abgedeckt sind.

[0047] Eine Schaufel für eine Turbine einer Strömungsmaschine, die ein Blatt beinhaltet, wobei das Blatt eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine aussenliegende Spitze und ein innenliegendes Ende aufweist. Das Blatt kann ferner eine Kühlstruktur aufweisen, die mehrere Kühlkanäle zum Aufnehmen und Lenken eines Kühlmittels aufweist. Die mehreren Kühlkanäle können einen linearen Kühlkanal und einen gekrümmten Kühlkanal beinhalten. Die Schaufel kann auch eine von dem Blatt definierte konturierte Form zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze aufweisen, wobei die konturierte Form so gestaltet ist, dass sie einen Zielbereich beinhaltet, der von einer linearen Bezugslinie, die sich radial von einer Stelle am innenliegenden Ende des Blattes aus erstreckt, nicht erreicht werden kann. Die gekrümmten Kühlkanäle können so gestaltet sein, dass sie sich so zwischen einem in Strömungsrichtung oberen Ende und einem in Strömungsrichtung unteren Ende erstrecken, dass sie den Zielbereich dazwischen schneiden.

Claims (10)

1. Schaufel für eine Turbine einer Gasturbine, die ein Blatt aufweist, wobei das Blatt eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine aussenliegende Spitze und ein innenliegendes Ende aufweist, wo das Blatt an einem Fuss angebracht ist, der dafür ausgelegt ist, die Turbinenschaufel mit einer Rotorscheibe zu verbinden, wobei das Blatt ferner eine Kühlstruktur aufweist, die mehrere längliche Kühlkanäle zum Aufnehmen und Leiten von Kühlmittel durch das Blatt beinhaltet, wobei die Schaufel ferner umfasst: eine von dem Blatt definierte konturierte Form zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze, wobei die konturierte Form so gestaltet ist, dass sie einen Zielbereich aufweist, der von einer linearen Bezugslinie, die radial durch das Blatt verläuft, nicht erreicht werden kann; und einen gekrümmten Kühlkanal, der so gestaltet ist, dass er sich so zwischen einem in Strömungsrichtung oberen Ende und einem in Strömungsrichtung unteren Ende erstreckt, dass er den Zielbereich dazwischen durchkreuzt; einen Kühlmittelzulauf, der so gestaltet ist, dass er in Fluidverbindung mit dem unteren Ende des gekrümmten Kühlkanals steht.

2. Schaufel nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelzulauf durch den Fuss der Schaufel verläuft, so dass er mit einer Kühlmittelquelle verbunden ist; wobei die Schaufel eine Laufschaufel umfasst und der gekrümmte Kühlkanal ein nach dem Giessen ausgebildetes Merkmal umfasst; und wobei die lineare Bezugslinie eine umfasst, die sich zwischen der aussenliegenden Spitze und dem innenliegenden Ende des Blattes erstreckt.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die konturierte Form des Blattes mindestens eine der folgenden umfasst: eine konkav geformte druckseitige Fläche und eine konvex geformte saugseitige Fläche, die entlang der Anström-und Abströmkanten miteinander verbunden sind; eine radiale Beugungskomponente, durch die ein Bogen entlang einer Längsachse des Blattes gebildet wird; eine Verwindung entlang einer Längsachse des Blattes, wobei die Verwindung so gestaltet ist, dass sie einen Staffelungswinkel für das Blatt zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze allmählich ändert; und eine Verjüngung entlang einer Längsachse des Blattes.

4. Schaufel nach Anspruch 3, wobei die Verjüngung mindestens eine der folgenden umfasst: eine axiale Verjüngung, durch die ein Abstand zwischen der Anströmkante und der Abströmkante zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze des Blattes allmählich kleiner wird; und eine Verjüngung in Umfangsrichtung, durch die eine Dicke zwischen der druckseitigen Fläche und der saugseitigen Fläche zwischen dem innenliegenden Ende und der aussenliegenden Spitze des Blattes allmählich geringer wird.

5. Schaufel nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Struktur der linearen Unerreichbarkeit des Zielbereichs eine Kombination aus mindestens zweien der Folgenden umfasst: Verwindung um die Längsachse des Blattes; Verjüngung entlang der Längsachse des Blattes; radiale Beugungskomponente, durch die der Bogen entlang einer Längsachse des Blattes definiert wird; und wobei eine Krümmung des gekrümmten Kühlkanals so gestaltet ist, dass sie einer Krümmung der konturierten Form des Blattes entspricht.

6. Schaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Blatt eine Anströmhälfte und eine Abströmhälfte umfasst, die auf jeder Seite einer die Mittelpunkte von Blattwölbungslinien verbindenden axialen Mittellinie definiert sind; wobei das Blatt radial gestaffelte Abschnitte umfasst, die einwärts und auswärts von einer radialen Mittellinie des Blattes definiert sind, wobei sich ein einwärts liegender Abschnitt zwischen dem Fuss und der radialen Mittellinie erstreckt und wobei sich ein auswärts liegender Abschnitt zwischen der radialen Mittellinie und der aussenliegenden Spitze erstreckt; und wobei die Kühlstruktur mehrere von den gekrümmten Kühlkanälen umfasst.

7. Schaufel nach Anspruch 6, wobei das in Strömungsrichtung obere Ende von jedem der gekrümmten Kühlkanäle eines umfasst, das in der Nähe der axialen Mittellinie und des innenliegenden Endes des Blattes liegt; und wobei die gekrümmten Kühlkanäle eine Krümmung umfassen, die sich zu Auslassöffnungen biegt, die an mindestens einer der folgenden ausgebildet sind: der Anströmkante des Blattes; der Abströmkante des Blattes.

8. Schaufel nach Anspruch 6 oder 7, wobei jeder der gekrümmten Kühlkanäle parallel in Bezug auf die anderen gekrümmten Kühlkanäle und entlang einer Krümmung verläuft, die sich zur Abströmkante des Blattes biegt; wobei die Auslassöffnungen einen radialen Abstand entlang der Abströmkante des Blattes aufweisen.

9. Schaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich alle gekrümmten Kühlkanäle ausgehend von einer innenliegenden Position, wo sie jeweils an einer Mittelbereichsverbindung mit einem von den linearen Kühlkanälen verbunden sind, parallel zu einer aussenliegenden Position erstrecken, wo sie jeweils mit einer der Auslassöffnungen verbunden sind.

10. Schaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gekrümmten Kühlkanäle ein nach dem Giessen ausgebildetes Merkmal aufweisen, das nach dem Giessen der Schaufel durch ein Abtragverfahren ausgebildet wird, und wobei das Abtragverfahren ein steuerbares elektrochemisches Abtragverfahren oder ein auf Funkenerosion basierendes Abtragverfahren umfasst.