-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Turbine, beispielsweise
für ein
Flugzeugtriebwerk, eine Gasturbine, Dampfturbine, usw. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung Spitzenmäntel, die mit einem Hohlraum
ausgebildet sind, und die Kühlung
eines Turbinenschaufelspitzenmantels durch Leitung von Kühlfluid
durch den Hohlraum. Die Erfindung und ihr Hintergrund sind anhand
einer Gasturbine beschrieben, die als ein nicht beschränkendes Beispiel
zu bewerten ist.
-
Die
Turbinenschaufeln industrieller Gasturbinen und Flugzeugtriebwerke
arbeiten in einer Umgebung extremer Temperatur. Die in Verbindung
mit dieser Umgebung auftretenden thermischen Spannungen und Metalltemperaturen
verkürzen
möglicherweise
die Nutzungslebensdauer der Turbinenschaufeln. Ein Kühlen der
Turbinenschaufeln und ihrer Bestandteile im Betrieb kann deren Nutzungslebensdauer
verlängern.
-
Turbinenschaufeln
basieren häufig
auf einem Schaufelblatt und einem einstückig hergestellten Spitzenmantel,
der an der Spitze des Schaufelblattes befestigt ist. Der Spitzenmantel,
der mit dem äußeren Rand
des Schaufelblattes verbunden ist, stellt einen Flächenbereich
bereit, der im Wesentlichen rechtwinklig zu der Schaufeloberfläche verläuft. Der
Flächenbereich
des Spitzenmantels trägt
dazu bei, die Turbinenabgase an der Schaufel zu halten (d. h. er
erlaubt es den Abgasen nicht, über
das Ende des Laufschaufelblattes zu strömen), so dass ein größerer Prozentsatz
der in den Turbinenabgasen enthaltenen Energie durch die Turbinenlaufschaufeln
in mechanische Energie um gewandelt werden kann. Spitzenmäntel verbessern
auf diese Weise die Leistung der Gasturbine. Es besteht weiter ein
Bedarf, die gesamte Außenfläche des
Schaufelblattes durch einen Spitzenmantel abzudecken. Allerdings
werden Spitzenmäntel
und die Verbindung, die diese mit den Schaufeln herstellen, während des
Betriebs aufgrund der durch die Rotation der Turbine ausgeübten mechanischen
Kräfte
stark belastet. Wenn diese mechanischen Belastungen in Verbindung
mit den thermischen Spannungen und Metalltemperaturen in Zusammenhang
mit der Umgebung extrem hoher Temperatur der Turbine auftreten,
besteht das Problem darin, einen Spitzenmantel zu konstruieren,
der seine angestrebte Funktion über
die gesamte Nutzungslebensdauer des Schaufelblattes hinweg erfüllt.
-
Zwei
mögliche
Vorgehensweisen zur Lösung dieses
Problems basieren auf: 1) der Verringerung der auf die Spitzenmäntel ausgeübten mechanischen Belastungen
durch Reduzierung ihres Gewichts; oder 2) der Senkung der Metalltemperaturen,
denen die Spitzenmäntel
ausgesetzt ist. Mit Blick auf die erste Methode basiert ein übliches
Verfahren zur Verringerung des Gewichts des Spitzenmantels darauf, den überhängenden
Spitzenmantel "einzukerben/auszuzacken" (d. h. eine Einkerbung
anzubringen oder einen Teil des überhängenden
Spitzenmantels zu entfernen). Die Verringerung des Spitzenmantelmaterials
bewirkt eine Verringerung der Last, die während des Betriebs auf die
zwischen dem Spitzenmantel und der Schaufel gebildete Verbindung
ausgeübt
wird. Allerdings ist eine Reduzierung der Oberflächengröße des Spitzenmantels durch
Einkerbung nachteilig, da dies die Leistung des Turbinentriebwerks
verringert, da ein Spitzenmantel mit kleinerer Oberfläche eine
verminderte Fähigkeit
aufweist, das Turbinenabgas an der Turbinenschaufel zu halten (d. h.
es gelangt ein größerer Teil
der Abgase über
den oberen Abschnitt einer Schaufel, die einen Spitzenmantel mit
reduzierter Oberflächengröße aufweist). Hinsichtlich
der zweiten Alternative, ist auch die Reduzierung der Metalltemperaturen,
denen der Spitzenmantel ausgesetzt ist, durch eine Verringerung der
Betriebstemperatur der Gasturbine eine nicht zufriedenstellende
Lösung.
Wie dem Fachmann klar ist, ruft die Verringerung der Betriebstemperatur
der Turbine eine Senkung des Wirkungsgrads der Turbine hervor. Allerdings
könnte
eine Reduzierung der Metalltemperaturen, denen der Spitzenmantel
ausgesetzt ist, durch Kühlung
desselben während
des Betriebs die Nutzungslebensdauer der Komponente verlängern.
-
Es
besteht daher ein Bedarf nach verbesserten Systemen zur Kühlung von
Turbinenschaufelspitzenmänteln,
um die im Zusammenhang mit der Hochtemperaturumgebung von Turbinen
auftretenden Metalltemperaturen zu reduzieren. Die Verringerung
der Metalltemperaturen ermöglicht
dann der Komponente, den höheren
mechanischen Belastungen besser zu widerstehen, die in Zusammenhang mit
Spitzenmänteln
auftreten, die eine größere Oberflächengröße aufweisen
(d. h. nicht mit Einkerbungen ausgebildet sind). Ein derartiges
System würde
ohne oder unter Verwendung der geringsten Einkerbung eine bessere
Leistung des Spitzenmantels in der Hochtemperaturumgebung der Turbine
ermöglichen. Falls
ein derartiges System in der Lage ist, den Spitzenmantel zu kühlen, während außerdem das
Gewicht des Spitzenmantels reduziert ist, könnten darüber hinaus zusätzliche
Steigerungen des Wirkungsgrads erzielt werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft daher eine Turbinenschaufel, zu der
ein Spitzenmantel, ein oder mehrere in dem Spitzenmantel ausgebildete
Kühlhohlräume und
wenigstens ein gesondertes strukturelles Element gehören, das
im Innern wenigstens einer der Kühlhohlräume definiert
ist. Das gesonderte strukturelle Element kann auf einem Element
basieren, das ei nen Boden des Kühlhohlraums
mit einer Decke des Kühlhohlraums
strukturell verbindet, wobei das Element weder von einer Innenwand
des Kühlhohlraums
oder einem äußeren Rand
des Spitzenmantels ausgeht, noch darin endet oder damit verbunden
ist. Die Innenwand des Kühlhohlraums kann
eine Wand beinhalten, die eine Kühlfluidkammer,
eine äußere Wand
des Kühlhohlraums
oder eine innere zentrale Wand definiert. Das gesonderte strukturelle
Element kann ein strukturelles Element beinhalten, das mit Ausnahme
der Verbindungen, die das strukturelle Element mit dem Boden und
der Decke des Kühlhohlraums
bildet, von dem hohlen Bereich des Kühlhohlraums umgeben ist.
-
In
einigen Ausführungsbeispielen
kann das gesonderte strukturelle Element auf einer gesonderten Trennwandrippe
basieren, wobei die gesonderte Trennwandrippe eine Rippe beinhaltet,
die sich wenigstens über
den größten Teil
der Strecke über
den Kühlhohlraum
hinweg erstreckt. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Großteil der
Strecke über den
Kühlhohlraum
hinweg wenigstens 75% der Strecke über den Kühlhohlraum hinweg betragen.
-
In
einigen Ausführungsbeispielen
kann die gesonderte Trennwandrippe so gestaltet sein, dass sie in
etwa im Zentrum des Kühlhohlraums
beginnt und sich nach außen
in Richtung der zwei entgegengesetzten äußeren Wände des Kühlhohlraums erstreckt. Die
Länge der
gesonderten Trennwandrippe kann so bemessen sein, dass zwischen
einem ersten Ende der gesonderten Trennwandrippe und einer der entgegengesetzten äußeren Wände des
Kühlhohlraums
ein erster Spalt definiert ist, und dass zwischen einem zweiten
Ende der gesonderten Trennwandrippe und der anderen der entgegengesetzten äußeren Wände des
Kühlhohlraums
ein zweiter Spalt definiert ist. Der erste Spalt und der zweite
Spalt können
jeweils eine Spanne von etwa 0,10 bis 0,75 Zoll aufweisen. In einigen
Ausführungsbeispielen
weisen der erste Spalt und der zweite Spalt jeweils eine Spanne
von mindestens etwa 0,10 Zoll auf. Das gesonderte strukturelle Element
kann auf einer gesonderten verkürzten
Rippe basieren, wobei die gesonderte verkürzte Rippe eine Rippe beinhaltet,
die sich über
weniger als einen Großteil
der Strecke quer über
den Kühlhohlraum
erstreckt.
-
Diese
und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung erschließen sich
nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügten Patentansprüche.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Diese
und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden nach sorgfältigem Lesen
der folgenden detaillierteren Beschreibung der hier bevorzugten
Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlicher und
klarer:
-
1 zeigt
in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine herkömmliche
Turbinenschaufel mit einem Spitzenmantel;
-
2 veranschaulicht
anhand einer schematischen Draufsicht herkömmlicher Spitzenmäntel die
Spitzenmanteleinkerbung;
-
3 zeigt
in einer aufgeschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht einen
Spitzenmantel, der einen Kühlhohlraum
aufweist, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
4 zeigt
in einer aufgeschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht einen
Spitzenmantel, der einen Kühlhohl raum
aufweist, gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
5 zeigt
in einer aufgeschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht einen
Spitzenmantel, der einen Kühlhohlraum
aufweist, gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
6 zeigt
in einer aufgeschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht einen
Spitzenmantel, der einen Kühlhohlraum
aufweist, gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
7 zeigt
in einer aufgeschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht einen
Spitzenmantel, der einen Kühlhohlraum
aufweist, gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
8 zeigt
in einer aufgeschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht einen
Spitzenmantel, der einen Kühlhohlraum
aufweist, gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
-
9 zeigt
in einer aufgeschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht einen
Spitzenmantel, der einen Kühlhohlraum
aufweist, gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Mit
Bezugnahme auf die Figuren, in denen die unterschiedlichen Bezugsnummern über die
Anzahl von Ansichten hinweg gleichartige Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 eine
typische Laufschaufel, die Kühlfluidkanäle aufweist,
die sich an einer Laufschaufelspitze öffnen, um einen Strom über einen
Spitzenmantel zu erlauben. Wie in der Figur schematisch veranschaulicht,
weist jede Turbinenschaufel 10 ein Schaufelblatt 12 und
einen Fuß 14 auf.
Das Schaufelblatt 12 weist eine Anströmkante und eine Abströmkante auf.
Zwischen der Anströmkante
und der Abströmkante
breiten sich an gegenüberliegenden
Seiten des Schaufelblattes 12 eine im Allgemeinen konkave
Druckfläche
und eine im Allgemeinen konvexe Saugfläche aus. In dem veranschaulichten
Beispiel basiert der Fuß 14 auf
einem Schaft 16 und einem Schwalbenschwanz 18,
der sich mit einer entsprechenden Schwalbenschwanznut auf dem Laufrad
in Eingriff befindet, um die Turbinenschaufel 10 an dem
Laufrad zu sichern.
-
Wie
in 1 und 2 gezeigt, ist an der Spitze
des Schaufelblattes 12 ein Spitzenmantel 20 ausgebildet,
der sich von der Oberfläche
des Schaufelblattes 12 ausgehend senkrecht nach außen erstreckt.
Der Spitzenmantel 20 weist radial nach innen und radial
nach außen
weisende Flächen
auf und ist dem durch den Turbinenabschnitt strömenden heißen Druckgas ausgesetzt. Jeder
Spitzenmantel 20 weist Auflagerflächen 22, 24 auf, über die
er mit dem Spitzenmantel einer benachbarten Laufschaufel in Berührung steht,
wodurch Laufschaufelschwingungen begrenzt werden. Außerdem erstreckt
sich gewöhnlich
von der radial nach außen
weisenden Fläche
des Spitzenmantels 20 ausgehend eine Dichtungsleiste 26 radial
nach außen,
um einen Leckstrom von heißem
Gas um die entsprechende Laufschaufelreihe herum zu verhindern.
In einigen herkömmlichen
Turbinenschaufelkonstruk tionen erstrecken sich mehrere Kühlluftkanäle durch
die Laufschaufel hindurch radial nach außen in die Laufschaufelspitze.
In anderen herkömmlichen
Turbinenschaufelkonstruktionen können
in dem Schaufelblatt Kühlfluidkanäle definiert
sein. Wie in 2 dargestellt, kann der Kühlfluidkanal
auf herkömmliche
Weise in Luftaustrittslöchern 28 enden,
die es der Kühlluft
erlauben, an der radial nach außen
weisenden Fläche
des Spitzenmantels 20 auszutreten.
-
3 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Wie zu sehen, kann der Spitzenmantel 20 in
seinem Inneren ausgebildete hohle Räume (beispielsweise Kammern,
Hohlräume, Öffnungen
und/oder Durchlasskanalpfade) enthalten. Sämtliche in dem Spitzenmantel 20 gebildeten
Hohlräume können untereinander
strömungsmäßig verbunden sein,
so dass die Hohlräume
einen (im Folgenden mit "Kühlhohlraum 130" bezeichneten) kontinuierlichen Kühlhohlraum
bilden. (Zu beachten ist, dass die hier offenbarten Ausführungsbeispiele
im Allgemeinen mit Bezug auf die Funktion einer Kühlung des
Spitzenmantels durch Hindurchleiten eines Kühlmittels beschrieben sind.
Diese Funktion dient lediglich als Beispiel und ist nicht als beschränkend zu
bewerten. Sämtliche
der im Vorliegenden beschriebenen Ausführungsbeispiele können im
Allgemeinen auch für andere
Zwecke als zur Kühlung
verwendet werden. Beispielsweise können sämtliche Hohlräume und
die Konstruktionen struktureller Stützen genutzt werden, um einen
leichtgewichtigen, strukturell robusten Spitzenmantel zu schaffen.
Zur Vereinfachung der Beschreibung sind die in Zusammenhang mit
der Ausbildung von Hohlräumen
in einem Spitzenmantel verwendeten strukturellen Elemente im Vorliegenden
lediglich mit Bezug auf dessen "Kühl"-Funktion beschrieben.
Allerdings sollen sämtliche
solchen Bezüge
in dem hier verwendeten Sinne die Möglichkeit einer Nutzung des
Hohlraum und/oder jedes seiner strukturellen Elemente für von der
Kühlfunktion
unabhängige
Vorteile einschließen.
So kann der "Kühlhohlraum" und/oder jedes seiner
beschriebenen strukturellen Elemente beispielsweise zum Zwecke der
Herstellung eines leichtgewichtigen, strukturell robusten hohlen
Spitzenmantels anstelle der Kühlung
des Spitzenmantels verwendet werden. Dies trifft unabhängig davon
zu, ob in der detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen oder
sonstigen Abschnitten dieser Anmeldung auf eine Kühlfunktion Bezug
genommen ist). In einigen Ausführungsbeispielen
kann der Kühlhohlraum 130 einen
Druckseitenkühlhohlraum 132 und
einen Saugseitenkühlhohlraum 134 umfassen,
die sich mit der Druckseite bzw. der Saugseite des Schaufelblattes 12 decken.
Wie zu sehen, können
der Druckseitenkühlhohlraum 132 und
der Saugseitenkühlhohlraum 134 längs einer
Abström-
oder Hinterkante 136 des Schaufelblattes 112 strömungsmäßig miteinander
verbunden sein.
-
Luft
kann in einer herkömmlichen
Weise in der Nähe
des Schwalbenschwanzes 18 oder des Bereichs des Schafts 16 in
die Turbinenlaufschaufel 10 angesaugt werden und durch
das Schaufelblatt 12 in Richtung des Spitzenmantels 20 strömen. In
dem veranschaulichten Beispiel kann etwa im Zentrum des Spitzenmantels 20 eine
Kühlfluidkammer 138 (die
den Druckseitenkühlhohlraum 132 und
den Saugseitenkühlhohlraum 134 im
Wesentlichen trennt) als ein Behälter
für ein
Kühlfluid
(im Allgemeinen ist dies verdichtete Luft) definiert sein, um dieses über den
Druckseitenkühlhohlraum 132 und
den Saugseitenkühlhohlraum 134 durch
den Spitzenmantel 20 hindurch zu verteilen. Alternativ
kann die Kühlfluidkammer 138 in
der Spitze des Schaufelblattes 12 definiert sein (dieses
Ausführungsbeispiel
ist nicht gezeigt). In einer weiteren Abwandlung können die
sich durch das Schaufelblatt 12 hindurch erstreckenden
mehreren Kühlfluidkanäle (wie
weiter unten in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach 4 erörtert) unmittelbar
mit dem Druckseitenkühlhohlraum 132 und
dem Saugseitenkühlhohlraum 134 verbunden
sein, so dass keine Kühlfluidkammer 138 vorhanden
ist.
-
Das
Kühlfluid
kann dann aus der Kühlfluidkammer 138 oder
den entsprechenden Kühlfluidkanälen in Richtung
der Kühlhohlräume 132, 134 und durch
diese hindurch strömen.
In dem veranschaulichten Beispiel sind zwischen der Kühlfluidkammer 138 und
den Kühlhohlräumen 132, 134 mehrere Kühlfluidkammeröffnungen 140 definiert.
Dementsprechend sind die Kühlfluidkammer 138,
der Druckseitenkühlhohlraum 132 und
der Saugseitenkühlhohlraum 134 sämtliche
strömungsmäßig miteinander
verbunden. Dementsprechend bilden die Kühlfluidkammer 138,
der Druckseitenkühlhohlraum 132 und
der Saugseitenkühlhohlraum 134,
wie sie hier definiert und verwendet sind (da sämtliche gebildeten Hohlräume/Kammern/Öffnungen/Durchlasskanalpfade
in dem Spitzenmantel 20 strömungsmäßig miteinander verbunden sind)
in dem Spitzenmantel 20 einen einzelnen Kühlhohlraum
oder einen kontinuierlichen Kühlhohlraum.
Die Kühlfluidkammeröffnungen 140,
die die Kühlhohlräume 132, 134 mit
der Kühlfluidkammer 138 verbinden,
werden möglicherweise nicht
allein dazu genutzt, die Kühlhohlräume 132, 134 mit
der Kühlfluidkammer 138 zu
verbinden, sondern können
auch dazu eingerichtet sein, den in die Kühlhohlräume 132, 134 strömenden Strom
zuzumessen oder zu steuern, so dass eine erwünschte Verteilung von Kühlfluid über den
Spitzenmantel 20 hinweg verwirklicht ist. In einer Abwandlung
kann die Kühlfluidkammer 138,
wie weiter unten erörtert,
in Richtung der Kühlhohlräume 132, 134 offen
sein.
-
Der
Kühlhohlraum 130 kann
mehrere darin ausgebildete Stützrippen
oder Rippen 142, 144 aufweisen. Im Allgemeinen
sind die Rippen 142, 144 längliche Strukturen, die den
Boden (oder den radialen Boden) des Kühlhohlraums 130 mit
der Decke (oder radialen Decke) des Kühlhohlraums 130, wie
in den unterschiedlichen Figuren veranschaulicht, verbinden. (In
dem hier verwendeten Sinne ist der Boden des Kühlhohlraums 130 in
den mehreren Figuren als die um die Rippen angeordnete Fläche veranschaulicht.
Die Decke des Kühlhohlraums 130 ist
der Abschnitt, der von dem Spitzenmantel 20 abgenommen
ist, so dass ein Blick auf das Innere des Kühlhohlraums 130 möglich ist).
Eine Aufgabe der Rippen 142, 144 basiert darauf,
die Gestalt des Kühlhohlraums 130 vorteilhaft
zu definieren. Außerdem
erhalten die Rippen 142, 144 die strukturelle
Festigkeit des hohlen Spitzenmantels 20 aufrecht, so dass
die Nutzungslebensdauer der Turbinenschaufel 10 nicht beeinträchtigt wird.
Die Rippen 142, 144 stützen die Hohlflächen des
Kühlhohlraums 130,
was es ermöglicht,
den Spitzenmantel 20 leichtgewichtig zu konstruieren. Leichtgewichtige
Spitzenmäntel
sind von Vorteil, da sie im Betrieb mechanische Belastungen sowohl
in dem Spitzenmantel 20 als auch in dem Schaufelblatt 12 reduzieren.
Im Allgemeinen erstrecken sich die Rippen 142, 144,
wie weiter unten näher
erläutert,
teilweise über
den Kühlhohlraum 130,
in dem sie angeordnet sind. In einigen Ausführungsbeispielen erstrecken
sich mehrere der Rippen 142, 144 möglicherweise über einen
Großteil
der Strecke über den
Kühlhohlraum 130 hinweg.
In einigen Ausführungsbeispielen
verlaufen die Rippen 142, 144 im Wesentlichen
zueinander parallel.
-
Wie
zu sehen, können
die Rippen 142, 144 auf mehreren verkürzten Rippen 142 basieren.
Verkürzte
Rippen 142 sind im Allgemeinen kürzere Rippen, die in einigen
Ausführungsbeispielen
(wie veranschaulicht) Auslassöffnungen 147 definieren.
Darüber
hinaus können
die Rippen 142, 144 auf mehreren Trennwandrippen 144 basieren,
die wesentlich länger
sind als die verkürzten
Rippen 142. (Zu beachten ist, dass einige Ausführungsbeispiele
möglicherweise
lediglich mehrere Trennwandrippen 144 enthalten. In solchen
Ausführungsbeispielen
können
die Auslassöffnungen 147 durch
an dem Rand des Spitzenmantels 20 angebrachte Bohrungen
definiert sein). Im Allgemeinen ist die Länge der Trennwandrippen 144 wie
veranschaulicht so bemessen, dass diese sich wenigstens über den
größten Teil
der Strecke quer über
den entsprechenden Kühlhohlraum 132, 134 hinweg
jedoch nicht über
die gesamte Strecke erstrecken. In einigen Ausführungsbeispielen erstrecken
sich die Trennwandrippen 144 möglicherweise über wenigstens
75% der Breite quer über
den Kühlhohlraum 130.
Somit bilden die Trennwandrippen 144 keine gesonderten
Hohlräume.
Mit anderen Worten, der Hohlraum zu beiden Seiten einer Trennwandrippe 144 bleibt
um wenigstens ein Ende der Trennwandrippe 144 herum strömungsmäßig verbunden.
-
Wie
in 3 veranschaulicht, können die Trennwandrippen 144 eine
sich nach außen
erstreckende Trennwandrippe 145 beinhalten. Die sich nach
außen
erstreckende Trennwandrippe 145 kann sich im Allgemeinen
von der die Kühlfluidkammer 138 definierenden
Wand ausgehend zu einer Stelle kurz vor der äußeren Wand des Kühlhohlraums 130 nach
außen
ausbreiten, und auf diese Weise einen Raum oder Spalt zwischen der
sich nach außen
erstreckenden Trennwandrippe 145 und der äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 definieren.
In einigen Ausführungsbeispielen
kann die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 durch
eine der verkürzten
Rippen 142 definiert sein. In solchen Ausführungsbeispielen
kann die sich nach außen
erstreckende Trennwandrippe 145 sich von der die Kühlfluidkammer 138 definierenden
Wand aus zu einer Stelle kurz vor der verkürzten Rippe 142 erstrecken,
die die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 an
jenem Ort definiert, so dass zwischen der sich nach außen erstreckenden
Trennwandrippe 145 und der verkürzten Rippe 142 ein
Spalt definiert ist. Die Trennwandrippen 144 können auch
auf einer sich nach innen erstreckenden Trennwandrippe 146 basieren,
die sich von der äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 aus im
Wesentlichen zu einer Stelle kurz vor der die Kühlfluidkammer 138 definierenden
Wand nach innen erstreckt, so dass zwischen der sich nach innen
erstreckenden Trennwandrippe 146 und der die Kühlfluidkammer 138 definierenden
Wand ein Spalt definiert ist. In einigen Ausführungsbeispielen können beide Spalte,
die durch 1) die sich nach außen
erstreckende Trennwandrippe 145 und die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 bzw.
2) die sich nach innen erstreckende Trennwandrippe 146 und
die die Kühlfluidkammer 138 bildende
Wand definiert sind, mit etwa 0,10 bis 0,25 Zoll bemessen sein.
In weiteren Ausführungsbeispielen
können
beide Spalte, die durch 1) die sich nach außen erstreckende Trennwandrippe 145 und
die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 bzw.
2) die sich nach innen erstreckende Trennwandrippe 146 und
die die Kühlfluidkammer 138 bildende Wand
definiert sind, mit wenigstens 0,10 Zoll bemessen sein.
-
Wie
dargestellt, kann jeder der Kühlhohlräume 132, 134 mehrere
Trennwandrippen 144 enthalten. In einigen Ausführungsbeispielen
kann jeder der Kühlhohlräume 132, 134 (wie
veranschaulicht) 4 bis 7 Trennwandrippen 144 enthalten.
Darüber
hinaus können
die Trennwandrippen 144, wie veranschaulicht, in einer
abwechselnden Anordnung angeordnet sein. Bei einer abwechselnden
Anordnung wechselt sich die Platzierung von sich nach außen erstreckenden
Trennwandrippen 145 im Allgemeinen mit der Platzierung
von sich nach innen erstreckenden Trennwandrippen 146 ab.
In dem hier verwendeten Sinne soll der Begriff "abwechselnde Anordnung" in einem weiten
Sinne mehrere unterschiedliche alternierende Konstruktionen umfassen
und soll nicht streng auf eine Abwechslung nach dem Muster "eins für eins" (d. h., dass die
Anordnung voraussetzt, dass jede sich nach außen erstreckende Trennwandrippe 145 ausschließlich durch
nach innen sich erstrecken Trennwandrippen 146 benachbart
ist) beschränkt sein.
In dem hier verwendeten Sinne soll der Begriff "abwechselnde Anordnung" außerdem beispielsweise
die folgende Sequenz von Trennwandrippen bezeichnen: eine sich nach
außen
erstreckende Trennwandrippe 145 – eine sich nach außen erstreckende Trennwandrippe 145 – eine sich
nach innen erstreckende Trennwandrippe 146 – eine sich
nach außen erstreckende
Trennwandrippe 145 – eine
sich nach außen
erstreckende Trennwandrippe 145 – eine sich nach innen erstreckende
Trennwandrippe 146. In einem anderen Fall kann der Begriff "abwechselnde Anordnung" beispielsweise dazu
dienen, die folgende Sequenz zu bezeichnen: eine sich nach innen
erstreckende Trennwandrippe 146 – eine sich nach außen erstreckende
Trennwandrippe 145 – eine
sich nach außen
erstreckende Trennwandrippe 145 – eine sich nach innen erstreckende
Trennwandrippe 146 – eine
sich nach innen erstreckende Trennwandrippe 146 – eine sich
nach außen
erstreckende Trennwandrippe 145 – eine sich nach außen erstreckende
Trennwandrippe 145. Der Begriff "abwechselnde Anordnung" kann zur Bezeichnung
weiterer ähnlicher
Sequenzen dienen. Die Strategie einer abwechselnden Anordnung kann
auf wirkungsvolle Weise einen gewundenen oder labyrinthförmigen Kühlkreislauf
durch die Kühlhohlräume 132, 134 definieren,
der für
die Kühlung
des Spitzenmantels 20 durch den Kreislauf eines Kühlfluids
von Vorteil sein kann. In dem hier verwendeten Sinne dient der Begriff
Labyrinthkreislauf im Allgemeinen dazu, einen verschlungenen oder
gewundenen Pfad zu bezeichnen, der die Strömung hemmt, was, wie weiter
unten näher
erläutert,
vorteilhaft genutzt werden kann, um Kühlfluid im Betrieb wirkungsvoll über den
gesamten Spitzenmantel 20 hinweg zu verteilen.
-
Wie
oben erwähnt,
können
zwischen benachbarten verkürzten
Rippen 142 Auslassöffnungen 147 definiert
sein, um einen Kühlmittelstrom
aus der Turbinenschaufel 10 heraus zu ermöglichen.
Die Kühlhohlräume 132, 134 sind,
wie veranschaulicht, hauptsächlich
in der Ebene des Spitzenmantels 20 angeordnet.
-
4 veranschaulicht
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Anmeldung, das nicht die Kühlfluidkam mer 138 des
oben erörterte Ausführungsbeispiels
aufweist. Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
nach 4 kann im Wesentlichen die mehreren verkürzten Rippen 142 und Trennwandrippen 144 in
einer Anordnung aufweisen, die jener ähnelt, wie sie mit Bezug auf 3 erörtert ist.
Allerdings kann das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel nach 4 anstelle
der die Kühlfluidkammer 138 definierenden
Wand eine innere zentrale Wand 152 aufweisen. Die innere
zentrale Wand 152 unterteilt den Kühlhohlraum 130 im
Wesentlichen in zwei Bereiche, so dass sie (wie durch die Kühlfluidkammer 138 in
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 3) an ihren Seiten jeweils den Druckseitenkühlhohlraum 132 und
den Saugseitenkühlhohlraum 134 bildet.
Da keine Kühlfluidkammer 138 vorhanden
ist, können
die sich durch das Schaufelblatt 12 hindurch erstreckenden Kühlfluidkanäle über mehrere
Einlassöffnungen 154 unmittelbar
mit dem Druckseitenkühlhohlraum 132 und
dem Saugseitenkühlhohlraum 134 verbunden sein.
Wie zu sehen, können
die Einlassöffnungen 154 entlang
der Wand der inneren zentralen Wand 152 angeordnet sein.
Es kommen auch andere Stellen in Betracht, z. B. der Boden der Kühlhohlräume 132, 134.
-
Darüber hinaus
breitet sich in dem Ausführungsbeispiel
nach 4 die sich nach außen erstreckende Trennwandrippe 145 im
Wesentlichen von der inneren zentralen Wand 152 aus nach
außen
zu einer Stelle kurz vor der äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 aus.
In einigen Ausführungsbeispielen kann
die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130,
wie veranschaulicht, durch eine der verkürzten Rippen 142 definiert
sein. In solchen Ausführungsbeispielen kann
die sich nach außen
erstreckende Trennwandrippe 145 nach 4 sich
von der inneren zentralen Wand 152 ausgehend zu einer Stelle
kurz vor der verkürzten
Rippe 142 ausbreiten, die an jener Position die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 definiert,
so dass zwischen der sich nach außen erstreckenden Trennwandrippe 145 und
der verkürzten Rippe 142 ein
Spalt definiert ist. Weiter breitet sich in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 4 die sich nach innen erstreckende Trennwandrippe 146 von
der äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 ausgehend
im Wesentlichen nach innen zu einer Stelle kurz vor der inneren
zentralen Wand 152 aus, so dass zwischen der sich nach
innen erstreckenden Trennwandrippe 146 und der inneren zentralen
Wand 152 ein Spalt definiert ist. Schließlich können die
Trennwandrippen 144, ähnlich
wie in dem Ausführungsbeispiel
nach 3, so angeordnet sein, dass die Platzierung einer
sich nach außen
erstreckenden Trennwandrippe 145 mit der Platzierung einer
sich nach innen erstreckenden Trennwandrippe 146 abwechselt.
-
In 5 bis 9 sind
abgewandelte Ausführungsbeispiele
dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele
veranschaulichen die Anwendung einiger der oben erörterten
Merkmale in Kühlhohlräumen 130 einer
anderen Konfiguration sowie die Verwendung neuer Elemente, wie sie
weiter unten im Einzelnen beschrieben sind. Beide in 3 und 4 veranschaulichten
Ausführungsbeispiele
weisen etwa im Zentrum des Spitzenmantels 20 ein unterteilendes Merkmal
auf (d. h. in 3 ist das unterteilende Merkmal
die Kühlfluidkammer 138 und
in 4 ist das unterteilende Merkmal die innere zentrale
Wand 152). In einigen Ausführungsbeispielen, wie jenen nach 5 bis 8,
ist möglicherweise
kein unterteilendes Merkmal vorhanden.
-
5 veranschaulicht
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
eines einzigen oder kontinuierlichen Kühlhohlraums 130 in
einem Spitzenmantel 20 mit einer Anzahl von Trennwandrippen 144.
Es können
auch mehrere verkürzte
Rippen 142 vorhanden sein. Die verkürzten Rippen 142 können Auslassöffnungen 147 definieren,
die gehäuft
längs der
Druckseite und Saugseite des Spitzenmantels 20 angeordnet
sind. Da keine Kühlfluidkammer 138 vorhanden ist,
können
die sich durch das Schaufelblatt 12 erstreckenden Kühlfluidkanäle über mehrere
Einlassöffnungen 154 unmittelbar
mit dem Kühlhohlraum 130 verbunden
sein. Wie zu sehen, können
die Einlassöffnungen 154 gegen
das Zentrum des Spitzenmantels 20 hin zu beiden Seiten
einer bezüglich
des Spitzenmantels 20 in etwa mittig verlaufenden Linie
angeordnet sein, die fiktiv gezogen die Saugseite des Spitzenmantels 20 mit
(von?) der Druckseite des Spitzenmantels 20 weitgehend
trennt, obwohl auch andere Positionen möglich sind.
-
Darüber hinaus
sind die Trennwandrippen 144 in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 5 so
eingerichtet, dass sie entlang der äußeren Wand des Kühlhohlraums 130 (d.
h. einer ersten inneren Wand) entspringen und sich über den Spitzenmantel 20 hinweg
in Richtung der entgegengesetzten äußeren Wand des Kühlhohlraums 130 (d. h.
einer zweiten inneren Wand) erstrecken. Die Länge der Trennwandrippen 144 kann
so bemessen sein, dass diese an einer Stelle kurz vor der entgegengesetzten äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 enden.
Auf diese Weise kann am Ende der Trennwandrippe 144 zwischen
der Trennwandrippe 144 und der entgegengesetzten äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 ein
schmaler Raum oder ein Spalt definiert sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann
die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130,
wie veranschaulicht, durch eine der verkürzten Rippen 142 gebildet
sein. In solchen Ausführungsbeispielen könnte sich
die Trennwandrippe 144, wie in 5 veranschaulicht,
in Richtung der verkürzten
Rippe 142 der entgegengesetzten äußeren Wand des Kühlhohlraums 130 zu
einer Stelle kurz vor der verkürzten Rippe 142 erstrecken,
die die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 an
jener Stelle bildet. Auf diese Weise kann am Ende der Trennwandrippe 144 zwischen
der Trennwandrippe 144 und der gegenüberliegenden verkürzten Rippe 142 ein
schmaler Raum oder ein Spalt definiert sein. Darüber hinaus können die Trennwandrippen 144,
wie in 5 veranschaulicht, in einer abwechselnden Anordnung
angeordnet sein. In dieser Anordnung wechselt sich die Platzierung
einer Trennwandrippe 144, die sich von einer der äußeren Wände des
Kühlhohlraums 130 ausgehend
erstreckt, mit der Platzierung einer Trennwandrippe 144 ab,
die der gegenüberliegenden äußeren Wand des
Kühlhohlraums 130 entspringt.
Zu beachten ist auch die oben beschriebene Definition des Begriffs "abwechselnde Anordnung". Wie zuvor kann
diese Strategie einer abwechselnden Anordnung über den Kühlhohlraum 130 hinweg
auf wirkungsvolle Weise einen gewundenen oder labyrinthförmigen Kühlkreislauf
definieren, der für
die Kühlung
des Spitzenmantels 20 mittels der Hindurchleitung eines
Kühlfluids von
Vorteil sein kann. Zu beachten ist, dass die alternierenden Trennwandrippen 144 in
abgewandelten Ausführungsbeispielen
so ausgerichtet sein können, dass
sie gegenüber
der in 5 veranschaulichten Ausrichtung der Trennwandrippen 144 im
Wesentlichen senkrecht verlaufen. Wie dem Fachmann klar, können auch
andere Anordnungen verwendet werden.
-
6–8 veranschaulichen
einige Ausführungsbeispiele,
die gesonderte strukturelle Elemente in einem Spitzenmantelkühlhohlraum 130 enthalten.
In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "gesondertes strukturelles
Element" ein Element,
das den Boden des Kühlhohlraums 130 mit der
Decke des Kühlhohlraums 130 strukturell
verbindet und weder von einer Innenwand des Kühlhohlraums 130 oder
dem Außenrand
oder der Peripherie des Spitzenmantels 20 ausgeht, noch
darin endet oder damit verbunden ist. Im Sinne dieser Definition kann
eine Innenwand des Kühlhohlraums 130 beinhalten:
1) die die Kühlfluidkammer 138 definierende Wand;
2) die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130; 3)
die innere zentrale Wand 152; oder 4) sonstige ähnliche
Wände,
die in dem Kühlhohlraum 130 definiert
sein können.
Weiter ist die Decke des Kühlhohlraums 130 in
dem hier verwendeten Sinne, und wie zuvor erläutert, das Element, das in 3–9 abgenommen
ist, um einen Einblick in das Inne re des Kühlhohlraums 130 zu
ermöglichen.
Mit anderen Worten sind gesonderte strukturelle Elemente im Allgemeinen
strukturelle Elemente, die mit Ausnahme der Verbindungen, die das
strukturelle Element mit dem Boden und der Decke des Kühlhohlraums 130 bildet,
von der Hohlfläche
des Kühlhohlraums 130 umgeben
sind.
-
6 veranschaulicht
einen einzigen oder kontinuierlichen Kühlhohlraum 130 mit
mehreren gesonderten Trennwandrippen 202. Die gesonderten Trennwandrippen 202 sind
gesonderte strukturelle Elemente, da sie den Boden des Kühlhohlraums 130 mit
der Decke des Kühlhohlraums 130 verbinden
und weder von einer Innenwand des Kühlhohlraums 130 oder
dem äußeren Rand
des Spitzenmantels 20 ausgehen, noch darin enden oder damit
verbunden sind. In einigen Ausführungsbeispielen
können,
wie gezeigt, außerdem
mehrere verkürzte
Rippen 142 vorhanden sein. Die verkürzten Rippen 142 können Auslassöffnungen 147 definieren,
die gehäuft
längs der Druckseite
und Saugseite des Spitzenmantels 20 angeordnet sind. Da
in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 6 keine Kühlfluidkammer 138 vorhanden
ist, können
die sich durch das Schaufelblatt 12 erstreckenden Kühlfluidkanäle über mehrere
Einlassöffnungen 154 unmittelbar
mit dem Kühlhohlraum 130 verbunden
sein. Wie zu sehen, können die
Einlassöffnungen 154 längs einer
angenäherten Mittellinie
des Spitzenmantels 20 angeordnet sein, die fiktiv gezogen
die Saugseite des Spitzenmantels 20 von der Druckseite
des Spitzenmantels 20 weitgehend trennt.
-
Darüber hinaus
können
die gesonderten Trennwandrippen 202 in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 6 so eingerichtet sein, dass sie jeweils in etwa
in der Mitte des Kühlhohlraums 130 beginnen
und sich nach außen
in Richtung entgegengesetzter äußerer Wände des
Kühlhohlraums 130 erstrecken.
Die gesonderten Trennwandrippen 202 können sich über we nigstens einen Großteil der
Strecke über
den Kühlhohlraum 130 erstrecken.
In einigen Ausführungsbeispielen
können sich
die gesonderten Trennwandrippen 202 über wenigstens 75% der Breite
des Kühlhohlraums 130 erstrecken.
In weiteren Ausführungsbeispielen
können die
gesonderten Trennwandrippen 202 so ausgerichtet sein, dass
sie im Wesentlichen senkrecht zu den in 6 veranschaulichten
gesonderten Trennwandrippen 202 verlaufen. Wie dem Fachmann
klar, können
auch andere Anordnungen verwendet werden. Die Länge der gesonderten Trennwandrippen 202 kann
so bemessen sein, dass sie an einem Ende an einer Stelle kurz vor
der äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 enden
und am entgegengesetzten Ende an einer Stelle kurz vor der entgegengesetzten äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 enden.
Auf diese Weise können
am Ende jeder der gesonderten Trennwandrippen 202 zwei
Spalte definiert sein (d. h. ein erster Spalt, der durch das Ende
der gesonderten Trennwandrippe 202 und die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 gebildet
wird; und ein zweiter Spalt, der durch das andere Ende der gesonderten
Trennwandrippe 202 und die entgegengesetzte äußere Wand
des Kühlhohlraums 130 gebildet
wird). In einigen Ausführungsbeispielen
können
sowohl der erste als auch der zweite Spalt mit etwa 0,10 bis 0,75
Zoll bemessen sein. In weiteren Ausführungsbeispielen können der
erste und zweite Spalt beide mit wenigstens 0,10 Zoll bemessen sein.
In einigen Ausführungsbeispielen
kann die äußere Wand
des Kühlhohlraums 130,
wie veranschaulicht, durch eine der verkürzten Rippen 142 definiert
sein. In solchen Ausführungsbeispielen
könnte
die gesonderte Trennwandrippe 202, wie in 6 veranschaulicht,
sich in Richtung entgegengesetzter äußerer Wände des Kühlhohlraums 130 zu
einer Stelle kurz vor der verkürzten
Rippe 142 erstrecken, die die äußere Wand des Kühlhohlraums 130 an
jener Stelle definiert.
-
7 veranschaulicht
einen einzigen oder kontinuierlichen Kühlhohlraum 130 mit
mehreren gesonderten verkürzten
Rippen 206. Die gesonderten verkürzten Rippen 206 sind,
wie oben definiert, gesonderte strukturelle Elemente, da sie den
Boden des Kühlhohlraums 130 mit
der Decke des Kühlhohlraums 130 verbinden
und weder von einer Innenwand des Kühlhohlraums 130 oder
dem äußeren Rand
des Spitzenmantels 20 ausgehen, noch darin enden oder damit
verbunden sind. In einigen Ausführungsbeispielen
können
(obwohl in 7 nicht dargestellt) auch mehrere
verkürzte
Rippen vorhanden sein, die Auslassöffnungen 147 definieren.
Die verkürzten
Rippen 142, die (wie in vorangehenden Ausführungsbeispielen
gezeigt) Auslassöffnungen 147 definieren,
werden in dem hier definierten Sinne nicht als gesonderte strukturelle
Elemente erachtet, da sie im Wesentlichen in dem äußeren Rand
oder der Peripherie des Spitzenmantels 20 enden. Da in
der in 7 dargestellten Ausführungsform keine Kühlfluidkammer 138 vorhanden
ist, können
die sich durch das Schaufelblatt 12 erstreckenden Kühlfluidkanäle über mehrere
Einlassöffnungen 154 unmittelbar
mit dem Kühlhohlraum 130 verbunden
sein. Wie zu sehen, können
die Einlassöffnungen 154 längs einer angenäherten Mittellinie
des Spitzenmantels 20 angeordnet sein, die fiktiv gezogen
die Saugseite des Spitzenmantels 20 von der Druckseite
des Spitzenmantels 20 weitgehend trennt.
-
Wie
in 7 veranschaulicht, können mehrere gesonderte verkürzte Rippen 206 über den
gesamten Kühlhohlraum 130 hinweg
mit einem Abstand angeordnet sein, so dass zwischen sämtlichen ein
minimaler Spalt bestehen bleibt. Die gesonderten verkürzten Rippen 206 können, wie
in 7 dargestellt, im Wesentlichen rechteckig sein
(und in einigen Ausführungsbeispielen
abgerundete Ecken aufweisen). In einigen Ausführungsbeispielen können die gesonderten
verkürzten
Rippen 206 mit einer Länge von
etwa 0,10 bis 0,75 Zoll und einer Breite von 0,05 bis 0,25 Zoll
bemessen sein. In einigen Ausführungsbeispielen
können,
wie in 7 veranschaulicht, zwischen 15 und 25 gesonderte
verkürzte
Rippen 206 in dem Kühlhohlraum 130 definiert
sein.
-
8 veranschaulicht
einen einzigen oder kontinuierlichen Kühlhohlraum 130 mit
mehreren gesonderten Säulen 208.
Die gesonderten Säulen 208 sind
im Sinne der obigen Definition gesonderte strukturelle Elemente,
da sie den Boden des Kühlhohlraums 130 mit
der Decke des Kühlhohlraums 130 verbinden
und weder von einer Innenwand des Kühlhohlraums 130 oder
dem äußeren Rand
des Spitzenmantels 20 ausgehen, noch darin enden oder damit verbunden
sind. Nachdem in dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
keine Kühlfluidkammer 138 vorhanden
ist, können
die sich durch das Schaufelblatt 12 erstreckenden Kühlfluidkanäle über mehrere
Einlassöffnungen 154 unmittelbar
mit dem Kühlhohlraum 130 verbunden
sein. Wie zu sehen, können die
Einlassöffnungen 154 längs einer
angenäherten Mittellinie
des Spitzenmantels 20 angeordnet sein, die fiktiv gezogen
die Saugseite des Spitzenmantels 20 von der Druckseite
des Spitzenmantels 20 weitgehend trennt.
-
Wie
in 8 veranschaulicht, können mehrere gesonderte Säulen 208 über den
Kühlhohlraum 130 hinweg
mit einem Abstand angeordnet sein, so dass zwischen sämtlichen
gesonderten Säulen
ein minimaler Spalt erhalten bleibt. Wie dargestellt, können die
gesonderten Säulen 208 einen
runden Querschnitt aufweisen. In solchen Ausführungsbeispielen kann der Durchmesser
des runden Querschnitts mit 0,05 bis 0,25 Zoll bemessen sein. In
weiteren Ausführungsbeispielen
können
die gesonderten Säulen 208 einen
quadratischen Querschnitt aufweisen. In solchen Ausführungsbeispielen
kann jede der Seiten des quadratischen Querschnitts mit 0,05 bis
0,25 Zoll bemessen sein. In einigen Ausführungsbeispielen können, wie
in 8 veranschaulicht, zwischen 5 und 50 gesonderte
Säulen 206 in
dem Kühlhohlraum 130 ausgebildet
sein.
-
9 stellt
ein Ausführungsbeispiel
dar, das die Verwendung runder Auslassöffnungen 212 und nicht
runder Auslassöffnungen 214 in
Verbindung mit einem Spitzenmantelkühlhohlraum 130 veranschaulicht.
Wie zuvor beschrieben, können
zwischen benachbarten verkürzten
Rippen 142 oder durch die äußere Wand des Kühlhohlraums 130 hindurch
mehrere Auslassöffnungen 212, 214 gebildet
sein, um dem komprimierten Kühlfluid
zu erlauben, den Kühlhohlraum 130 zu
verlassen. Wie in dem Ausführungsbeispiel
nach 9 gezeigt, können
nicht runde Auslassöffnungen 214 definiert
sein. Diese nicht runden Auslassöffnungen 214 können, wie
veranschaulicht, rechteckig gestaltet sein (wobei einige Ausführungsbeispiele
abgerundete Ecken aufweisen können). Nicht
gezeigt ist, dass die nicht runden Auslassöffnungen 214 auch
elliptisch oder oval gestaltet sein können. Die nicht runden Auslassöffnungen 214 können gegenüber runden
Auslassöffnungen
mit Blick auf die Wärmeübertragung
vorteilhaft sein. Wie in 9 veranschaulicht, können auch
ein oder mehrere runde Auslassöffnungen 212 definiert
sein. Es können
zusätzliche
runde Auslassöffnungen 212 und nicht
runde Auslassöffnungen 214 vorgesehen
sein. Wie dem Fachmann klar, kommen auch andere Anordnungen der
runden Auslassöffnungen 212 und nicht
runden Auslassöffnungen 214 in
Betracht.
-
Zu
beachten ist, dass sämtliche
in 3 bis 9 beschriebenen Ausführungsformen
Beispiele eines Spitzenmantels mit einem einzigen oder kontinuierlichen
Kühlhohlraum
vorsehen. Einige der darin erörterten
Merkmale sind jedoch hinsichtlich ihrer Verwendung nicht auf einen
einzigen oder kontinuierlichen Kühlhohlraum
beschränkt
(d. h., sie können
erfolgreich in Spitzenmänteln
genutzt werden, die mehrere getrennte Kühlhohlräume aufweisen, die nicht miteinander
strömungsmäßig verbun den
sind). Diese Merkmale schließen
ein: 1) Rippen die sich teilweise über einen Kühlhohlraum erstrecken, so dass
sie zwischen dem Ende der Rippe und einer gegenüberliegenden Struktur einen
Durchlasskanalpfad erzeugen; 2) die abwechselnde Anordnung der Rippen,
die sich teilweise über
einen Kühlhohlraum
erstrecken; 3) die gesonderten strukturellen Elemente; und 4) die Verwendung
nicht runder Auslassöffnungen
und runder Auslassöffnungen.
Die Beschreibung dieser Merkmale in Zusammenhang mit einem einzigen oder
kontinuierlichen Kühlhohlraum
ist lediglich exemplarisch und soll nicht beschränken.
-
In
der Praxis kann Kühlfluid
(im Wesentlichen verdichtete Luft) an die Turbinenschaufel 10 ausgegeben
werden. Das Kühlfluid
kann durch die Kühlfluidkanäle zu der
Kühlfluidkammer 138 strömen. Das
Kühlfluid
kann anschließend über die
Kühlfluidkammeröffnungen 140 dem
Kühlhohlraum 130 zugeführt werden.
(Zu beachten ist, dass das Kühlfluid
in den anhand von 4 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispielen
dem Kühlhohlraum 130 unmittelbar über die
Einlassöffnungen 154 zugeführt wird).
Sobald sich das Kühlmittel
in dem Kühlhohlraum 130 befindet,
strömt
es nach Bedarf um die Rippen 142,144 in Richtung
der Auslassöffnungen 147 und
verlässt
anschließend
den Spitzenmantel 20 über
die Auslassöffnungen 147,
die im Wesentlichen längs
der äußeren Wand
des Kühlhohlraums 130 angeordnet
sind. Dieser durch den Kühlhohlraum 130 verlaufende
Kühlfluidstrom
kühlt den
Spitzenmantel 20 konvektiv.
-
Wie
dem Fachmann klar, sind die an den Rändern des Spitzenmantels 20 vorhandenen
Druckbedingungen während
des Betriebes der Turbine sehr unterschiedlich. Der äußere Druck
ist an der (in 3 und 4 mit 170 bezeichneten)
Anströmkante
des Spitzenmantels 20 hoch, an der (in 3 und 4 mit 180 bezeichneten)
Abströmkante
des Spitzenmantels 20 niedrig, und an den (in 3 und 4 mit 190 bezeichneten)
Rändern
des Spit zenmantels 20 zwischen der Anströmkante und
der Abströmkante
mittelstark. Der Kühlhohlraum 130 des Spitzenmantels 20 weist
einen Druck auf, der höher ist
als der äußere Druck,
jedoch wird ohne Eingreifen ein großer Teil des Kühlfluids
in der Nähe
der Abströmkante 180 des
Spitzenmantels 20, wo der äußere Druck am niedrigsten ist,
austreten. Diese Neigung kann dazu führen, dass eine unzureichende
Menge von Kühlfluid
die Anströmkante 170 des
Spitzenmantels 20 verlässt,
was möglicherweise übermäßige Temperaturen
in jenen Bereichen hervorruft, mit gegebenenfalls nachteiligen Folgen
für die
Nutzungslebensdauer der Turbinenschaufel 10. Folglich besteht ein
Bedarf, dafür
zu sorgen, dass das Kühlfluid,
während
es die Turbinenschaufel 10 verlässt, bevorzugt über den
gesamten Spitzenmantel 20 hinweg ausgebreitet wird.
-
Die
Anordnung der Rippen 142, 144, wie sie in den
Ausführungsbeispielen
oben beschrieben ist, bildet einen im Wesentlichen gewundenen oder
labyrinthförmigen
Kühlkreislauf,
den das in den Spitzenmantel 20 eintretende Kühlfluid
vor dem Austritt durchströmen
muss. Beispielsweise muss Kühlfluid, das
nahe der Anströmkante 170 in
den Spitzenmantel 20 eintritt, den Labyrinthkühlkreislauf
durchlaufen, um an der Niederdruckabströmkante 180 auszutreten.
Der gewundene Pfad oder Labyrinthkühlkreislauf bildet somit ein
Hindernis, dass der Neigung des Austritts eines übermäßigen Anteils des Kühlfluids
bei dem niedrigen Druck der Abströmkante 180 entgegenwirkt.
Die Folge hiervon ist, dass das Kühlfluid den Spitzenmantel 20 entlang
sämtlicher
unterschiedlicher Druckbereiche des Spitzenmantels 20 verlässt, was
im Betrieb für
eine bevorzugte Verteilung von Kühlfluid über den
gesamten Spitzenmantel 20 hinweg sorgt. Dieses vorteilhafte
Ergebnis wird ohne die Erfordernis mehrerer unabhängiger oder getrennter
(d. h. nicht strömungsmäßig miteinander verbundener)
Kühlhohlräume in dem
Spitzenmantel 20 erzielt. Wie dem Fachmann klar, werden
Turbi nenschaufeln mit Kühlhohlräumen gewöhnlich mittels
eines Wachsausschmelzverfahrens erzeugt. Die Verwendung eines einzigen
oder kontinuierlichen Kühlhohlraums
anstelle mehrerer getrennter Hohlräume ermöglicht die Erzielung gewisser
Vorteile in dem Wachsausschmelzverfahren.
-
Ein
weiterer Vorteil der abwechselnden Anordnung der Trennwandrippen 144 basiert
darauf, dass die freie Enden 194 jeder der Trennwandrippen 144 durch
die zu beiden ihrer Seiten angeordneten Trennwandrippe 144 abgeschirmt
werden, was die strukturelle Integrität des Spitzenmantels 20 steigert. Das
freie Ende 194 der Trennwandrippe 144 bezieht sich
auf das Ende, das in dem Kühlhohlraum 130 bei einem
offenen Bereich endet (siehe das mit 194 bezeichnete freie
Ende in 3, 4 und 5).
Mit anderen Worten, das freie Ende 194 ist dasjenige Ende
der Trennwandrippe 144, das sich entgegengesetzt zu dem
Ende befindet, das aus einer inneren oder äußeren Wand in dem kontinuierlichen
Kühlhohlraum 130 entspringt
(der Begriff "innere" bzw. "äußere" Wand des kontinuierlichen Kühlhohlraums 130 kann
beispielsweise bezeichnen: 1) die äußere Wand des Kühlhohlraums 130;
2) die Wand der Kühlfluidkammer 138;
oder 3) die innere zentrale Wand 152). Wie dem Fachmann
klar, ruft die Anordnung eines Endes einer Trennwandrippe 144 in
einem offenen Bereich in dem kontinuierlichen Kühlhohlraum 130 einen
Bereich erhöhter
Spannung hervor. Die sich aufgrund dieser Spannung ergebende Belastung
lässt sich
jedoch durch die benachbarte Trennwandrippe 144 bewältigen,
die wegen der abwechselnden Anordnung der Trennwandrippen 144 nicht in
demselben Bereich in dem Kühlhohlraum
enden kann. Dies dient zur Reduzierung örtlicher Spannungskonzentrationen,
die andernfalls an dem Ende einer der Trennwandrippen 144 auftreten
würden.
-
Die
Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt; es
versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel
zu beschränken
ist, sondern vielmehr vielfältige
Modifikationen und äquivalente Anordnungen
abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Während
im Besonderen auf die Kühlung
eines Spitzenmantels Bezug genommen wurde, könnte die im Vorliegenden offenbarte
Technologie beispielsweise in Zusammenhang mit einem Spitzenmantel
genutzt werden, der nicht an der Spitze der Laufschaufel angeordnet
ist. Diesbezüglich
weisen einige Laufschaufeln etwa auf halber Höhe des Schaufelblattes angeordnete
Spitzenmäntel
auf, die eine Verbindung zur benachbarten Laufschaufel bilden, und
die oben beschriebenen Kühlfluidkanäle könnten darin
verwendet werden.
-
Geschaffen
ist eine Turbinenschaufel 10, zu der gehören: ein
Spitzenmantel 20; ein oder mehrere in dem Spitzenmantel 20 ausgebildete
Kühlhohlräume 130;
und wenigstens ein gesondertes strukturelles Element 202, 206, 208,
das im Innern wenigstens eines der Kühlhohlräume 130 definiert
ist. Das gesonderte strukturelle Element 202, 206, 208 kann
ein Element beinhalten, das einen Boden des Kühlhohlraums 130 mit
einer Decke des Kühlhohlraums 130 strukturell
verbindet, wobei das Element weder von einer Innenwand des Kühlhohlraums 130 oder
einem äußeren Rand
des Spitzenmantels 20 ausgeht, noch darin endet oder damit
verbunden ist.
-
- 10
- Turbinenschaufel
- 12
- Schaufelblatt
- 14
- Fuß
- 16
- Schaft
- 18
- Schwalbenschwanz
- 20
- Spitzenmantel
- 22,
24
- Auflagerflächen
- 26
- Dichtungsleiste
- 28
- Luftaustrittslöcher
- 130
- Kühlhohlraum
- 132
- Druckseitenkühlhohlraum
- 134
- Saugseitenkühlhohlraum
- 136
- Hinterkante
- 112
- Strömungsfläche
- 138
- Kühlfluidkammer
- 140
- Kühlfluidkammeröffnungen
- 142,
144
- Rippen
- 147
- Auslassöffnungen
- 145
- Trennwandrippe
sich nach außen
erstreckende
- 142
- verkürzte Rippe
- 144
- Trennwandrippe
- 146
- Trennwandrippe
sich nach innen erstreckende
- 152
- innere
zentrale Wand
- 154
- Einlassöffnungen
- 202
- gesonderte
Trennwandrippen
- 206
- Rippen
gesonderte verkürzte
- 208
- gesonderte
Säulen
- 212
- runde
Auslassöffnungen
- 214
- nicht
runde Auslassöffnungen
- 194
- freies
Ende