-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die
hierin beschriebene Erfindung betrifft eine Turbinenendwand.
-
In
Gasturbinen können
aufgrund hoher Temperaturen und großer Temperaturgradienten Probleme
in Zusammenhang mit einer Turbinenendwand auftreten. Eine Turbinenendwand
kann entweder an dem Stator oder dem Laufrad und entweder an dem Innendurchmesser
oder dem Außendurchmesser
der Turbine angeordnet sein, und sie ist im Allgemeinen so ausgerichtet,
dass sich Turbinenschaufelblätter von
einer Endwandfläche
ausgehend radial weg erstrecken.
-
Zu
Problemen, die im Feldeinsatz in Zusammenhang mit einer Endwand
auftreten können,
gehören,
ohne darauf beschränkt
zu sein, Oxidation, Abspaltung, Rissbildung, Durchbiegung und Ablösung von
Endwandkomponenten. Infolgedessen wurden bisher vielfältige Ansätze erprobt,
um dieses Problem zu lösen.
Allgemein betreffen diese Ansätze
Verbesserungen der Kühlung
für Endwandflächen, die
Ausbildung von Konvektionskühlungsdurchlasskanälen im Inneren
der Endwand und/oder Hinzufügungen von
Komponenten, die eine lokale Filmkühlung bereitstellen, die eine
Strömung
mit geringem Impuls aufweist.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Schaufelblatt geschaffen, das einen
Schaufelkörper umfasst,
der eine Druckfläche,
die sich zwischen radialen Enden erstrecken kann, und in einem darin
definierten Schaufelblattinnenraum einen Strömungspfad aufweist. Die Druckfläche ist
ausgebildet, um ferner einen Durchlasskanal zu definieren, über den Kühlfluid
aus dem in dem Schaufelblattinnenraum angeordneten Strömungspfad
in einer perimetrischen Richtung weg von der Druckfläche zugeführt werden
kann.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Turbine geschaffen, die eine
Endwand enthält,
die eine Fläche
und mehrere Schaufelblätter aufweist,
die an der Fläche
anbringbar sind, wobei Bereiche der Fläche zwischen Enden benachbarter Schaufelblätter angeordnet
sind, wobei zu jedem der Schaufelblätter ein Schaufelkörper gehört, der
eine Druckfläche
und in einem darin ausgebildeten Schaufelblattinnenraum einen Strömungspfad
aufweist, wobei die Druckfläche
ausgebildet ist, um einen Durchlasskanal zu definieren, über den
Kühlfluid aus
dem in dem Schaufelblattinnenraum angeordneten Strömungspfad
in Richtung eines der Flächenabschnitte
zugeführt
werden kann.
-
Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden einer
Turbine geschaffen, mit den Schritten: Gestalten einer Anzahl von
Schaufelblättern,
von denen jedes eine Druckfläche
und in einem darin definierten Schaufelblattinnenraum einen Strömungspfad
aufweist; Befestigen der Anzahl von Schaufelblättern an einer Endwand, wobei
die Endwand Flächenabschnitte aufweist,
die zwischen benachbarten radialen Enden der Schaufelblätter angeordnet
werden können
und die einen durch die Druckfläche
des Schaufelblattes hindurchführenden
Durchlasskanal definieren, über den
Kühlfluid
aus dem in dem Schaufelblattinnenraum angeordneten Strömungspfad
in Richtung eines der Flächenabschnitte
der Endwand zugeführt werden
kann.
-
Diese
und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
Der
als die Erfindung erachtete behandelte Gegenstand, wird in den der
Beschreibung beigefügten
Patentansprüchen
speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend
erwähnten
und sonstige Ausstattungsmerkmale und Vorteile der Erfindung werden
nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Figuren verständlich:
-
1 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht eine Turbinenschaufel und eine
Endwand;
-
2 veranschaulicht
in einer radialen Ansicht einen Kühlmittelstrom, der die in 1 dargestellte
Turbinenschaufel verlässt;
-
3 zeigt
eine axiale Ansicht des Kühlmittelstroms
von 2; und
-
4 veranschaulicht
eine Turbinenschaufel und eine Endwand in einer perspektivischen
Ansicht.
-
Die
detaillierte Beschreibung erläutert
anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Gemäß 1 ist
ein Turbine 10 gezeigt. Ein Abschnitt der Turbine 10 enthält eine
Endwand 20 und mehrere Schaufelblätter 30. Die Endwand 20 weist
eine Fläche 21 auf,
an der jedes der Schaufelblätter 30 anbringbar
ist, wobei Abschnitte 25 der Fläche 21 zwischen Enden 31 benachbarter
Paare der Schaufelblätter 30 angeordnet
sind. Jedes der Schaufelblätter 30 weist
gegenüberliegende
Saug- und Druckflächen 33 und 34 auf,
die an einer entsprechenden Anströmkante und Abströmkante 35 und 36 zusammentreffen,
um eine Form eines Schaufelblatts 30 zu definieren, das
einen in einem Schaufelblattinnenraum 37 angeordneten Strömungspfad 38 aufweist,
durch den sich ein Kühlkreislauf 40 erstrecken
kann. Wie allgemein bekannt, ist die Saugfläche 33 im Wesentlichen
konvex, und die Druckfläche 34 ist
im Wesentlichen konkav. Darüber hinaus
ist die Druckfläche 34 ausgebildet,
um einen Durchlasskanal 50, oder in einigen Ausführungsbeispielen
einen Satz von Durchlasskanälen 50,
zu definieren, über
den Kühlfluid
in Richtung eines der Flächenabschnitte 25 zugeführt werden
kann. Gemäß vielfältigen Ausführungsbeispielen
kann das Kühlfluid
beispielsweise aus dem Strömungspfad 38,
dem Kühlkreislauf 40 und/oder
einer sonstigen Struktur des Schaufelblattes 30 zugeführt werden.
-
Es
ist klar, dass die Flächenabschnitte 25 als Bereiche
der Fläche 21 definiert
sein können,
die aufgrund einer während
des Betriebes der Turbine 10 möglicherweise auftretenden Abwanderung
heißer Gase
in Richtung der Endwand 20 dazu neigen, verhältnismäßig stark
erwärmt
zu werden. In diesem Sinne sind die Flächenabschnitte 25 im
Allgemeinen zwischen den Enden 31 benachbarter Paare der Schaufelblätter 30 sowie
an stromabwärts
gelegenen Stellen angeordnet.
-
Jeder
Durchlasskanal 50 ist so positioniert und ausgerichtet,
dass das Kühlfluid,
das beispielsweise Kühlluft
aus dem Kühlkreislauf 40 beinhaltet, aus
dem Durchlasskanal 50 ausgestoßen und in eine Durchlasskanalquerströmung mitgerissen
wird. Das Kühlfluid
bedeckt dadurch den Flächenabschnitt 25 und
dient als eine Barriere, die den Flächenabschnitt 25 von
der Abwanderung heißer
Gase trennt, und Temperaturen an dem Flächenabschnitt 25 werden somit
reduziert. Weiter wird das Kühlfluid,
nachdem der Durchlasskanal 50 von dem Innern eines Hauptabschnitt
des Schaufelblattes 30 ausgehend angeordnet ist, aus Stellen
des Schaufelblattes 30, die einen unmittelbaren Zugang
zu einem Kühlkreislauf 38 oder 40 aufweisen,
und an einem Bereich ausgestoßen,
der vergleichsweise niedrigen Belastungspegeln ausgesetzt ist. Da
das Kühlfluid
an axialen Stellen ausgestoßen
wird, die stromaufwärts
einer Laufschaufelreihenmündung
angeordnet sind, ist es außerdem
möglich,
dem Kühlstrom
vergleichsweise nützliche
Arbeit zu entziehen.
-
Noch
immer Bezug nehmend auf 1, ist der Durchlasskanal 50 im
Wesentlichen in der Druckfläche 34 ausgebildet,
um näher
an der Anströmkante 35 des
Schaufelblattes 30 als an der Abströmkante 36 angeordnet
zu sein. Auf diese Weise strömt
Kühlfluid,
das den Durchlasskanal 50 mit einem perimetrischen Impuls
verlässt,
stromabwärts
und ist weiter in der Lage, den Flächenabschnitt 25 zu
bedecken. Dies ist anhand von 2 und 3 ersichtlich,
wo der Kühlmittelstrom
durch Strömungslinien 60 dargestellt
ist, die aus deren entsprechende Durchlasskanälen 50 in der perimetrischen
und in der stromabwärts
verlaufenden Richtung DP bzw. DD austreten.
-
Gemäß vielfältigen Ausführungsbeispielen der
Erfindung und mit Bezug auf 1 und 4 könnten das
Schaufelblatt 30 und die Endwand 20 als Komponenten
des Laufrads oder des Stators der Turbine 10 und an dem
Innendurchmesser oder an dem Außendurchmesser
der Turbine 10 vorgesehen sein. In Fällen, wo die Endwand 20 an
dem Laufrad und/oder an dem Innendurchmesser der Turbine 10 vorgesehen
ist, weist die Fläche 21 radial
nach außen.
Im vorliegenden Fall ist der Durchlasskanal 50 außerhalb
einer Schaufelblattfußausrundung 70 positioniert,
die an einem radial innenliegenden Ende 31 des Schaufelblattes 30 angeordnet
ist. Obwohl es nicht erforderlich ist, ist der Durchlasskanal 50 in
diesem Falle ebenfalls weniger als etwa 25%, oder in manchen Fällen 50%,
der radialen Länge
des Schaufelblattes 30 von dem radial inneren Ende 31 beabstandet
positioniert. Andererseits weist die Fläche 21 der Endwand 20,
falls die Endwand 20, wie in 4 gezeigt,
an dem Außendurchmesser
der Turbine 10 vorgesehen ist, radial nach innen, wobei
der Durchlasskanal 50 gegenüber der obigen Beschreibung entgegengesetzt
positioniert ist.
-
Wie
in 1 gezeigt, kann die Druckfläche 34 ausgebildet
werden, um mehrere Durchlasskanäle
zu definieren 50. In diesem Fall können die mehreren Durchlasskanäle 50 ausgehend
von der Anströmkante 35 regelmäßig, z.
B. in einer stromabwärts
verlaufenden Richtung, angeordnet sein. Mittels dieser Anordnung
kann das Kühlfluid,
das der Fläche 21 zugeführt wird, über einen
größeren Flächenbereich
der Fläche 21 strömen. Dies
ist ersichtlich in 2 und 3, wo die
Strömungslinien 60 über die
Flächenabschnitte 25 und
Bereiche der Fläche 21 stromabwärts der
Schaufelblätter 30 verlaufen.
Es ist selbstverständlich,
dass die mehreren Durchlasskanäle 50 in
vielfältigen
Formaten angeordnet sein können,
z. B. in einer Reihe, die sich in der Radialrichtung erstreckt,
oder in einer Reihe, die sich sowohl in der radialen als auch in
der stromabwärts
verlaufenden Richtung erstreckt.
-
Der
Durchlasskanal 50 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet
und erstreckt sich von dem Strömungspfad 38 im
Inneren 37 des Schaufelblattes 30 ausgehend zu
der Druckfläche 34.
In manchen Fällen
erstreckt sich der Durchlasskanal 50 von dem Kühlkreislauf 40 zu
der Druckfläche 34.
Obwohl er als ein ausgehöhlter
Bereich der Druckfläche
ausgebildet werden kann, können
Wände des
Durchlasskanals 50 ebenfalls mit zusätzlichen Komponenten versehen
sein, um Strömungscharakteristiken
des Kühlfluids
zu steigern, zu verringern oder in sonstiger Weise zu modifizieren.
Um sicherzustellen, dass eine ausreichende jedoch nicht übermäßige Menge
von Kühlfluid
aus dem Kühlkreislauf 40 entnommen
wird, kann der Durchlasskanal 50 selbstverständlich auch irreguläre Querschnittsformen
aufweisen, die den Strom des Kühlfluids
hemmen und/oder fördern.
-
Der
Durchlasskanal 50 lässt
sich sowohl auf neue Konstruktionen von Lauf- oder Leitschaufeln anwenden
als auch als eine Reparaturoption für bestehende Komponenten nutzen. Es
ist somit ein Verfahren zur Ausbilden einer Turbine 10 geschaffen, das
den Schritt beinhaltet, mehrere Schaufelblätter 30 zu gestalten,
von denen jedes eine Druckfläche 34 und
in einem darin definierten Schaufelblattinnenraum 37 einen
Strömungspfad
aufweist, durch den sich ein Kühlkreislauf 40 erstrecken
kann. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt, die Anzahl von Schaufelblättern 30 an
einer Endwand 20 zu befestigen, wobei die Endwand 20 eine
Fläche 21 und
Flächenabschnitte 25 aufweist,
die sich zwischen Enden benachbarter Paare der Schaufelblätter 30 anordnen lassen.
Durch die Druckfläche 34 hindurch
ist ein Durchlasskanal 50 oder ein Satz von Durchlasskanälen 50 definiert.
Der Durchlasskanal 50 ermöglicht, dass Kühlfluid
beispielsweise aus dem Strömungspfad 38 und/oder
aus dem Kühlkreislauf 40 heraus und
in Richtung eines der Flächenabschnitte 25 zugeführt werden
kann.
-
Gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann der Durchlasskanal 50 spanabhebend ausgebildet
sein oder mit dem Schaufelblatt 30 gemeinsam gegossen sein.
Im Falle des Einsatzes spanabhebender Bearbeitung kann das Verfahren außerdem die
Schritte beinhalten, einen verhältnismäßig hoch
erhitzbaren Abschnitt des einen der Flächenabschnitte 25 zu
identifizieren und den Durchlasskanal 50 spanabhebend so
auszubilden, dass das Kühlfluid
in Richtung des identifizierten, verhältnismäßig hoch erhitzbaren Abschnitts
zugeführt
werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile des Kühlmittelstroms
steigern.
-
Während die
Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsbeispielen im
Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein,
dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige
Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen,
Substitutionen oder äquivalenten
Anordnungen zu verkörpern,
die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich,
dass Aspekte der Erfindung möglicherweise
lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten.
Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung
beschränkt
anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.
-
Geschaffen
ist ein Schaufelblatt 30, das gegenüberliegende Saug- und Druckflächen 33 und 34 aufweist,
die sich zwischen entsprechenden radialen Enden 31 erstrecken
können,
die an Anström-
und Abströmkanten 35 und 36 zusammentreffen,
um einen Schaufelblattinnenraum 37 zu definieren. Die Druckfläche 34 ist
ferner ausgebildet, um einen Durchlasskanal 50 zu definieren, über den
aus dem Schaufelblattinnenraum 37 stammendes Kühlfluid zugeführt werden
kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Turbine
- 20
- Platte
- 21
- Fläche
- 25
- Flächenabschnitte
- 30
- Schaufelblätter
- 31
- Enden
- 33
- Saugfläche
- 34
- Druckfläche
- 35
- Anströmkante
- 36
- Abströmkante
- 37
- Innenraum
- 40
- Kühlkreislauf
- 50
- Durchlasskanal
- DP
- perimetrische
Richtung
- DD
- stromabwärts verlaufende
Richtung
- 60
- Strömungslinien
- 70
- Fußausrundung
- 71
- Inneres
Ende