DE102011053702B4

DE102011053702B4 - Turbinenleitapparat und Verfahren zur Kühlung eines Turbinenleitapparates

Info

Publication number: DE102011053702B4
Application number: DE102011053702.3A
Authority: DE
Inventors: Jaime Javier Maldonado; Gary Michael Itzel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2031-09-17
Also published as: US8632297B2; DE102011053702A1; CH703886A2; US20120076654A1; JP2012072767A; JP5947512B2; CN102434224A; CN102434224B; CH703886B1

Abstract

Turbinenleitapparat (200, 300, 400, 500) mit einer ersten Seitenwand (204), einer zweiten Seitenwand (206, 308, 408, 508) und einem Schaufelblatt (202), das zwischen der ersten Seitenwand (204) und der zweiten Seitenwand (206, 308, 408, 508) angeordnet ist, wobei das Schaufelblatt (202) aufweist:eine Vorderkante (210) des Schaufelblattes (202);eine Hinterkante (212, 306, 406, 506) des Schaufelblattes (202), wobei die Hinterkante (212, 306, 406, 506) eine Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504) aufweist, an der die Hinterkante (212, 306, 406, 506) mit einer der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) gekoppelt ist;einen ersten Kanal (219, 310, 412, 510) in der Nähe der Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504), wobei der erste Kanal (219, 310, 412, 510) konfiguriert ist, um ein Kühlfluid (209, 312) aufzunehmen; undeinen Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal (219, 310, 412, 510), wobei der Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) konfiguriert ist, um das Kühlfluid (209, 312) zur Kühlung einer Oberfläche (224, 226, 318, 410) der einen der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) zu leiten;wobei der Diffusor (302) und der erste Kanal (310) an einer Stelle angeordnet sind, die einen Absatz (322) in der einen (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) bildet, und eine Wärmeschutzbeschichtung (320) auf die eine (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) derart aufgebracht ist, dass sie den Absatz (322) füllt und der Diffusor (302) bündig mit der zu kühlenden Oberfläche (318) der einen (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) abschließt, so dass ein stufenloser, glatter Übergang für eine Kühlfluidströmung (314) geschaffen ist, wenn diese aus dem Diffusor (302) austritt und auf die zu kühlende Oberfläche (318) überströmt.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Turbinenleitapparate. Insbesondere betrifft der Gegenstand einen Turbinenleitapparat und eine Verfahren zur Kühlung einer Verbindungsstelle eines Turbinenleitapparates.
In einer Gasturbine wandelt eine Brennkammer chemische Energie eines Brennstoffs oder eines Luft-BrennstoffGemisches in Wärmeenergie um. Die Wärmeenergie wird durch ein Fluid, häufig Luft aus einem Verdichter, zu einer Turbine befördert, in der die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Mehrere Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad der Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie. Zu den Faktoren können Schaufelpassierfrequenzen, Brennstoffzufuhrschwankungen, Brennstoffart und -reaktivität, Brennkammerkopfvolumen, Brennstoffdüsenkonstruktion, Luft-Brennstoff-Profile, Flammengestalt, Luft-Brennstoff-Vermischung, Flammenhalten, Verbrennungstemperatur, Turbinenkomponentenkonstruktion, Verdünnung zur Milderung der Heißgaspfadtemperatur und Abgastemperatur gehören. Z.B. können hohe Verbrennungstemperaturen an ausgewählten Stellen, wie beispielsweise der Brennkammer und den Turbinendüsenbereichen, einen verbesserten Verbrennungswirkungsgrad und eine verbesserte Leistungserzeugung ermöglichen. In einigen Fällen können hohe Temperaturen in bestimmten Brennkammer- und Turbinenbereichen die Lebensdauer verkürzen und den Verschleiß und die Abnutzung bestimmter Komponenten vergrößern. Demgemäß ist es wünschenswert, Temperaturen in der Turbine zu bewältigen, um Verschleiß zu reduzieren und die Lebensdauer von Turbinenkomponenten zu erhöhen.
US 5 503 529 A beschreibt eine Turbinenlaufschaufel und ein Verfahren zum Kühlen derselben. Die Laufschaufel weist ein Schaufelblatt auf, das eine Spitze, eine Wurzel, eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Plattform und eine Verbindungsstelle aufweist, an der die Hinterkante mit der Plattform gekoppelt ist. Das Schaufelblatt weist ferner mehrere Kanäle auf, die mit einem inneren Kühlkanal des Schaufelblattes strömungsmäßig verbunden sind und durch die Hinterkante hindurch nach außen führen, um ein Kühlfluid hindurchzuleiten und die Hinterkante zu kühlen. Ein erster Kanal der mehreren Kanäle ist in der Nähe der Verbindungsstelle angeordnet und schräg ausgerichtet, um das Kühlfluid stromabwärts und radial nach innen in Richtung auf die Plattform auszugeben. Eine sich verjüngende und radial nach innen geneigte Rippe richtet das aus dem ersten Kanal ausgegebene Kühlfluid auf eine Oberfläche der Plattform, um diese zu kühlen. Die Rippe und der erste Kanal sind an einer Stelle radial im Abstand zu der zu kühlenden Oberfläche der Plattform angeordnet.
US 2003 / 0 108 423 A1 offenbart einen Turbinenleitapparat, der eine erste Seitenwand, eine zweite Seitenwand und ein dazwischen positioniertes Schaufelblatt aufweist, wobei eine Reihe von Kanälen an der Druckseite des Schaufelblattes in unmittelbare Nähe zu der Hinterkante des Schaufelblattes herausführen, um die Hinterkantenregion mittels eines Kühlfluids zu kühlen. Die Kanäle sind zueinander und zu der ersten und zweiten Seitenwand im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet positioniert.
US 2003 / 0 138 322 A1 beschreibt eine Turbinenlaufschaufel mit einem Schaufelblatt, das mehrere Hinterkantenkühlkanäle aufweist, um die Hinterkante zu kühlen. Ein zusätzlicher Kanal ist an einer Verbindungsstelle zwischen der Hinterkante und einer Plattform des Schaufelblattes angeordnet und mit einem länglichen, ovalen oder dreieckigen Auslassschlitz strömungsmäßig verbunden. Der zusätzliche Kanal und der Auslassschlitz sind oberhalb der Ebene der Oberfläche der Plattform positioniert, um ein Kühlfluid auf die Plattformoberfläche strömen zu lassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Turbinenleitapparat eine erste Seitenwand, eine zweite Seitenwand und ein zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand positioniertes Schaufelblatt. Das Schaufelblatt weist eine Vorderkante, eine Hinterkante mit einer Verbindungsstelle, an der die Hinterkante mit einer der Seitenwände gekoppelt ist, und einen ersten Kanal auf, der in dem Schaufelblatt in der Nähe der Verbindungsstelle angeordnet ist, wobei der erste Kanal konfiguriert ist, um ein Kühlfluid aufzunehmen. Die Turbine enthält ferner einen ersten Diffusor in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal, wobei der erste Diffusor konfiguriert ist, um das Kühlfluid zu leiten, um eine Oberfläche der einen der Seitenwände zu kühlen. der Diffusor und der erste Kanal sind an einer Stelle angeordnet sind, die einen Absatz in der einen der Seitenwände bildet, und eine Wärmeschutzbeschichtung ist auf die eine der Seitenwände derart aufgebracht, dass sie den Absatz füllt und der Diffusor bündig mit der zu kühlenden Oberfläche der einen der Seitenwände abschließt, so dass ein stufenloser, glatter Übergang für eine Kühlfluidströmung geschaffen ist, wenn diese aus dem Diffusor austritt und auf die zu kühlende Oberfläche überströmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen einer Verbindungsstelle eines Turbinenleitapparates geschaffen, der eine erste Seitenwand, eine zweite Seitenwand und ein dazwischen angeordnetes Schaufelblatt aufweist, wobei die Verbindungsstelle zwischen einer Hinterkante des Schaufelblattes und einer der Seitenwände angeordnet ist. Das Verfahren enthält ein Leiten eines Kühlfluids zu wenigstens einem Kanal in der Hinterkante, Leiten des Kühlfluids von dem wenigstens einen Kanal zu einem Diffusor in der Nähe der Verbindungsstelle zwischen der Hinterkante und der einen der Seitenwände und Strömenlassen des Kühlfluids von dem Diffusor aus, um einen Film auf einer Oberfläche der einen der Seitenwände zu erzeugen, wodurch die eine der Seitenwände gekühlt wird. Der Diffusor und der erste Kanal werden an einer Stelle angeordnet, die einen Absatz in der einen der Seitenwände bildet, und eine Wärmeschutzbeschichtung wird auf die eine der Seitenwände derart aufgebracht, dass sie den Absatz füllt und der Diffusor bündig mit der zu kühlenden Oberfläche der einen der Seitenwände abschließt, so dass ein stufenloser, glatter Übergang für eine Kühlfluidströmung geschaffen ist, wenn diese aus dem Diffusor austritt und auf die zu kühlende Oberfläche überströmt.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlicher.
Figurenliste
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und klar und deutlich beansprucht. Das Vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:

1 eine schematisierte Zeichnung einer Ausführungsform einer Gasturbine, die eine Brennkammer, eine Brennstoffdüse, einen Verdichter und eine Turbine enthält;
2 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Turbinenleitapparatabschnitts;
3 eine detaillierte schematisierte Zeichnung einer Ausführungsform eines Abschnitts eines Turbinenschaufelblattes;
4 eine detaillierte Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Abschnitts eines Turbinenschaufelblattes; und
5 eine detaillierte Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform eines Abschnitts eines Turbinenschaufelblattes.

Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems 100. Das System 100 enthält einen Verdichter 102, eine Brennkammer 104, eine Turbine 106, eine Welle 108 und eine Brennstoffdüse 110. In einer Ausführungsform kann das System 100 mehrere Verdichter 102, Brennkammern 104, Turbinen 106, Wellen 108 und Brennstoffdüsen 110 enthalten. Wie dargestellt, sind der Verdichter 102 und die Turbine 106 über die Welle 108 miteinander gekoppelt. Die Welle 108 kann durch eine einzelne Welle oder mehrere Wellensegmente gebildet sein, die miteinander gekoppelt sind, um die Welle 108 zu bilden.
In einem Aspekt verwendet die Brennkammer 104 flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder ein wasserstoffreiches Synthesegas, um die Turbinenmaschine zu betreiben. Z.B. stehen die Brennstoffdüsen 110 mit einer Brennstoffversorgung und Druckluft aus dem Verdichter 102 in Strömungsverbindung. Die Brennstoffdüsen 110 erzeugen ein Luft-Brennstoff-Gemisch und geben das Luft-Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer 104 aus, wodurch eine Verbrennung bewirkt wird, die ein heißes unter Druck stehendes Abgas erzeugt. Die Brennkammer 104 leitet das heiße unter Druck stehende Abgas durch ein Übergangsstück hindurch in einen Turbinenleitapparat (oder „Leitapparat der Stufe 1“) hinein, wodurch eine Drehung der Turbine 106 bewirkt wird, während das Gas den Leitapparat oder die Leitschaufel verlässt und auf die Turbinenschaufel oder Laufschaufel gerichtet wird. Die Drehung der Turbine 106 veranlasst die Welle 108 umzulaufen, wodurch die Luft verdichtet wird, während sie in den Verdichter 102 einströmt. In einer Ausführungsform sind Schaufelblätter (auch Leitschaufeln oder Laufschaufeln) in verschiedenen Abschnitten der Turbine, wie beispielsweise in dem Verdichter 102 oder der Turbine 106, angeordnet, wo die Gasströmung über den Schaufelblättern aufgrund von ungleichmäßigen Temperaturen einen Verschleiß und eine wärmebedingte Ermüdung von Turbinenbauteilen verursacht. Eine Steuerung der Temperatur von Teilen des Turbinenschaufelblattes und nahe gelegener Seitenwände kann den Verschleiß reduzieren und eine höhere Verbrennungstemperatur in der Brennkammer ermöglichen, wodurch das Leistungsverhalten verbessert wird. Eine Kühlung von Bereichen in der Nähe der Schaufelblätter und Seitenwände von Turbinen ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 2-5 im Einzelnen erläutert. Obwohl die folgende Beschreibung primär auf Gasturbinen gerichtet ist, sind die beschriebenen Konzepte nicht auf Gasturbinen beschränkt.
2 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Turbinenleitapparatabschnitts 200. Der Leitapparat 200 enthält ein Schaufelblatt 202, das zwischen einer äußeren Seitenwand 204 und einer inneren Seitenwand 206 positioniert ist. Der Turbinenleitapparat 200 empfängt eine Heißgasströmung 208 von einer Brennkammer, wobei die Strömung eine Drehung von Turbinenlaufschaufeln (die auch als „Laufschaufelblätter“ bezeichnet werden) bewirkt. In einem Aspekt wird die Heißgasströmung 208 unter Druck gesetzt, während sie an der Vorderkante 210 und der Hinterkante 212 des Schaufelblattes 202 vorbeiströmt. Die Hinterkante 212 ist mit der äußeren Seitenwand 204 und der inneren Seitenwand 206 an Verbindungsstellen 214 bzw. 216 gekoppelt. Während das Heißgas 208 über dem Schaufelblatt 202 strömt, leiten Kühlkanäle 219 ein Kühlfluid 209 in das Heißgas ein, wodurch ausgewählte Bereiche des Leitapparates 200, wie beispielsweise die Hinterkante 212, gekühlt werden. In einer Ausführungsform sind Reihen von Kühlkanälen 219 in dem Schaufelblatt 202 angeordnet, wobei das Kühlfluid 209 dazu verwendet wird, das Schaufelblatt 202 und die Seitenwände 204 und 206 zu kühlen.
Wie dargestellt, enthält das Schaufelblatt 202 Kanäle 219, die an der Hinterkante 212 angeordnet sind. Ein Diffusor 220 ist mit wenigstens einem Kanal 219 in der Nähe der Verbindungsstelle 214 zwischen der Hinterkante 212 und der äußeren Seitenwand 214 gekoppelt. In ähnlicher Weise ist ein Diffusor 222 mit wenigstens einem Kanal 219 in der Nähe der Verbindungsstelle 216 zwischen der Hinterkante 212 und der inneren Seitenwand 216 gekoppelt. Die Diffusoren 220 und 222 können eine beliebige geeignete Konfiguration und Gestalt aufweisen, um die Kühlfluidströmung zu veranlassen, einen Bereich in der Nähe der Verbindungsstellen 214 und 216 zu kühlen. In einer Ausführungsform ist wenigstens einer der Diffusoren 220 und 222 elliptisch geformt, wie dies nachstehend in Bezug auf 4 erläutert ist. In einer anderen Ausführungsform ist wenigstens einer der Diffusoren 220 und 222 dreieckig gestaltet, wie dies nachstehend in Bezug auf 5 erläutert ist. Außerdem kann die Geometrie der Diffusoren 220 und 222 als eine konturierte Öffnung beschrieben sein, die eine Ausbildung eines Films des Kühlfluids auf der Seitenwand 204, 206 fördert. Wie in 2 veranschaulicht, sind die Diffusoren 220 und 222 konfiguriert, um eine Temperatur der Oberflächen 224 und 226 der Seitenwände 204 bzw. 206 zu steuern. Außerdem kann der Leitapparat 200 ferner eine Kühlfluidströmung entlang der Seitenwandrückseiten 228 und 230 verwenden, um eine Temperatur der Seitenwände 204 bzw. 206 zu kontrollieren.
Weiterhin bezugnehmend auf die Ausführungsform nach 2 strömt das Kühlfluid aus den Kanälen 219 in dem Schaufelblatt 202, wobei die Kanäle 219 benachbart zu den Verbindungsstellen 214 und 216 das Kühlfluid durch die Diffusoren 220 bzw. 222 leiten. Das Kühlfluid kühlt Turbinenbereiche oder -zonen des Heißgaspfades sowie Komponenten des Leitapparates 200, wie beispielsweise das Schaufelblatt 202 und die Seitenwände 204 und 206. Z.B. sind die Diffusoren 220 und 222 konfiguriert, um einen Kühlfluidfilm auf den Seitenwandflächen 224 und 226 zu erzeugen, wobei der Film die Seitenwände 204 bzw. 206 kühlt. Außerdem sorgen die Kanäle 219 der Diffusoren 220 und 222 für eine Konvektions- und Konduktionskühlung an der Hinterkante 212. Ferner isoliert der Kühlfluidfilm die Seitenwände 204 und 206 gegen hohe Temperaturen, die sich aufgrund des hohen Drucks in Bereichen in der Nähe der Verbindungsstellen 214 und 216 ausbilden, während das Heißgas an dem Schaufelblatt 202 vorbeiströmt. In Ausführungsformen ist das Kühlfluid ein beliebiges geeignetes Fluid, das die Leitapparatkomponenten und ausgewählte Bereiche der Gasströmung, wie beispielsweise Hochtemperatur- und Hochdruckbereiche innerhalb des Leitapparates, kühlt. Z.B. ist das Kühlfluid eine Druckluftversorgung aus dem Verdichter, wobei die Druckluft aus der zu der Brennkammer geleiteten Luftzufuhr abgeleitet wird. Somit ist das Kühlfluid eine zugeführte Druckluft, die die Brennkammer umströmt und verwendet wird, um die Turbinenleitapparatkomponenten zu kühlen. Demgemäß reduzieren die Diffusoren 220 und 222, die in der Nähe der Verbindungsstellen 214 bzw. 216 angeordnet sind, die Menge der zur Kühlung eingesetzten Druckluft durch Verbesserung der Kühlung der Turbinenkomponenten und Bereiche in der Nähe der Komponenten. Infolgedessen wird eine erhöhte Druckluftmenge zu der Brennkammer zur Umwandlung in mechanische Ausgangsleistung geleitet, um die Gesamtleistung und den gesamten Wirkungsgrad der Turbinenmaschine zu verbessern und dabei durch Reduktion der Oxidation und der wärmebedingten Ermüdung die Lebensdauer von Turbinenleitapparatteilen zu verlängern. Ferner ermöglicht die offenbarte Einrichtung des Turbinenleitapparates 200 und der Kühlkomponenten 219, 220, 222 niedrigere Temperaturen sowie eine gleichmäßigere Temperaturverteilung an der Seitenwand 204, 206 und der Hinterkante 212. In Aspekten sind Turbinenteile, einschließlich der Schaufelblätter und Seitenwände, aus rostfreiem Stahl oder einer Legierung ausgebildet, wobei die Teile eine Wärmeermüdung erfahren können, falls sie während eines Maschinenbetriebs nicht richtig gekühlt werden. Es sollte beachtet werden, dass die Vorrichtung und das Verfahren zur Steuerung der Temperatur in einer Turbinenmaschine zur Kühlung von Turbinenleitapparaten, wie in den 2-5 veranschaulicht, sowie von Verdichterleitschaufeln oder beliebigen sonstigen Leitschaufelblättern oder Leitschaufeln innerhalb einer Turbinenmaschine angewandt werden können.
3 zeigt eine detaillierte schematisierte Darstellung einer Ausführungsform eines Abschnitts eines Turbinenleitapparates 300. Der Turbinenleitapparat 300 enthält einen Diffusor 302 in der Nähe einer Verbindungsstelle 304 zwischen einer Schaufelblatthinterkante 306 und einer Seitenwand 308. Ein Kühlfluid 312 wird aus einem Kanal 310 durch den Diffusor 302 hindurch, wie durch einen Strömungspfeil 314 veranschaulicht, in Richtung auf einen Hochtemperaturbereich 316 geleitet. In einer Ausführungsform bezieht sich der Hochtemperaturbereich 316 auf die Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Abschnitte der Seitenwand 308, sowie einen Bereich in der Nähe der Komponenten, die erhöhte Temperatur und erhöhten Druck relativ zu anderen Komponenten in dem gleichen Bereich der Turbine ausgesetzt sind. Das Kühlfluid kühlt den Hochtemperaturbereich 316 und die Verbindungsstelle 304 sowie die Hinterkante 306 und die Seitenwand 308. In einer Ausführungsform bewirkt die Heißgasströmung aus der Brennkammer die Erzeugung von Hochtemperatur- und Hochdruckbereichen in dem Leitapparat 300 beispielsweise in der Nähe der Hinterkante 306 und der Seitenwand 308. Die Einrichtung des Diffusors 302 und des Kanals 310 in unmittelbarer Nähe der Verbindungsstelle 304 verbessert die Kühlung eines Hochtemperaturbereiches in dem Leitapparat 300. Das Kühlfluid strömt durch den Diffusor 302, wie durch den Pfeil 314 veranschaulicht, wobei die Strömung einen Kühlfluidfilm auf einer Oberfläche 318 der Seitenwand 308 ausbildet. Die Oberfläche 318 weist eine Wärmeschutzbeschichtung 320 auf. Die Wärmeschutzbeschichtung 320 weist beliebige geeignete Wärmeschutzmaterialien auf. In einem nicht beschränkenden Beispiel weist die Wärmeschutzbeschichtung 320 ein Metallsubstrat, eine metallische Haftschicht und eine keramische Deckschicht auf. Die Wärmeschutzbeschichtung 320 schützt Turbinenkomponenten, wie beispielsweise die Seitenwand 308, vor anhaltenden Hitzebelastungen durch Verwendung thermisch isolierender Materialien, die eine wesentliche Temperaturdifferenz zwischen den metallischen Legierungen der Komponenten und der Beschichtungsoberfläche ermöglichen. Demgemäß ermöglicht die Wärmeschutzbeschichtung 320 höhere Betriebstemperaturen, während sie dabei die thermische Beaufschlagung von Turbinenkomponenten, beispielsweise der Seitenwand 308, begrenzt. Gemäß der Erfindung sind der Diffusor 302 und der Kanal 310 an einer Stelle angeordnet, die einen Absatz 322 bildet, der hinsichtlich der Abmessung der Dicke der Wärmeschutzbeschichtung 320 ähnlich ist. Wenn die Wärmeschutzbeschichtung 320 auf die Seitenwand 308 aufgebracht wird, wird der Absatz 322 gefüllt, wodurch ein glatter Übergang für die Kühlströmung 314, wenn diese aus dem Diffusor 302 austritt, geschaffen wird. Diese Einrichtung beseitigt zusätzliche Herstellungsschritte, um die verbesserte Verbindungsstelle 304 zu schaffen und dabei der Kühlströmung 314 zu ermöglichen, einen Kühlfluidfilm auf einer Oberfläche 318 der Seitenwand 308 zu erzeugen.
4 zeigt eine detaillierte Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Abschnitts eines Turbinenleitapparates 400. Der Leitapparat 400 enthält einen elliptischen Diffusor 402, der an oder in der Nähe einer Verbindungsstelle 404 zwischen der Hinterkante 406 und der Seitenwand 408 positioniert ist. Der elliptische Diffusor 402 ist mit einem Kühlfluidkanal verbunden, wobei das Kühlfluid aus dem elliptischen Diffusor 402 strömt, um eine Temperatur von Leitapparatteilen in der Nähe der Verbindungsstelle 404 und dem nahe gelegenen Hochtemperaturbereich zu kontrollieren. Der elliptische Diffusor 402 kann konfiguriert sein, um einen Film auf einer Oberfläche 410 der Seitenwand 408 zu bilden, wobei die Ausbildung des Films die Oberfläche 410 kühlt. Der Kühlfluidkanal des elliptischen Diffusors 402 kühlt ferner die Hinterkante 406 durch Konvektion und Konduktion. Wie dargestellt, enthält die Schaufelblatthinterkante 406 mehrere Kanäle 412 zur Kühlung des Schaufelblattes. In einer Ausführungsform leitet eine Kühlfluidzuführung Druckluft oder irgendein anderes geeignetes Kühlfluid zu mehreren Durchgängen oder Kanälen an dem Schaufelblatt und der Rückseite der Seitenwand 408, wobei der elliptische Diffusor 402 eine Kühlung der Seitenwand 408, der Hinterkante 406 und der Verbindungsstelle 404 verbessert, wodurch die Lebensdauer der Leitapparatkomponenten, wie beispielsweise des Schaufelblattes und der Seitenwand 408, verlängert wird.
5 zeigt eine detaillierte Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform eines Abschnitts eines Turbinenleitapparats 500. Der Leitapparat 500 enthält einen dreieckigen Diffusor 502, der an einer Verbindungsstelle 504 zwischen der Hinterkante 506 und der Seitenwand 508 positioniert ist. Der dreieckige Diffusor 502 ist mit wenigstens einem Kühlfluidkanal gekoppelt, wobei die Kühlfluidströmung aus dem Diffusor 502 eine Temperatur von Leitapparatteilen in der Nähe der Verbindungsstelle 504 und dem nahe gelegenen Hochtemperaturbereich 512 steuert. Die Schaufelblatthinterkante 506 enthält mehrere Kanäle 510, um das Schaufelblatt zu kühlen. Es sollte beachtet werden, dass die Gestalt der Öffnung des Diffusors 502 eine beliebige geeignete Gestalt zur Kühlung ausgewählter Teile der Turbine sein kann. Die Gestalt des Diffusors 502 kann auf der Basis anwendungsspezifischer Parameter, Randbeschränkungen bei der Herstellung und/oder Kosten ausgewählt werden. In einer Ausführungsform werden die Kanäle 510 in dem Schaufelblatt gebohrt, und der Diffusor 502 wird durch elektrochemisches-mechanisches Fräsen oder Schleifen der Öffnung auf die ausgewählte Form erzeugt. In einer anderen Ausführungsform werden die Kanäle 510 und der Diffusor 502 in den ausgewählten Formen gegossen.
Während die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte ohne weiteres verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifikationen, Ersetzungen oder äquivalenten Einrichtungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Wesen und Umfang der Erfindung entsprechen. Außerdem ist es zu verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt aufzufassen, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Turbinenleitapparat eine erste Seitenwand, ein zwischen der ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand positioniertes Schaufelblatt und einen ersten Kanal in dem Schaufelblatt in der Nähe eines Hochtemperaturbereiches, wobei der erste Kanal konfiguriert ist, um ein Kühlfluid aufzunehmen, wobei sich der Hochtemperaturbereich in der Nähe einer Verbindungsstelle zwischen der ersten Seitenwand und einer Hinterkante des Schaufelblattes befindet. Der Turbinenleitapparat enthält ferner einen ersten Diffusor in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal, wobei der erste Diffusor konfiguriert ist, um das Kühlfluid zur Erzeugung eines Films auf einer Oberfläche der ersten Seitenwand zu leiten.
Teileliste:

1

100

Turbinensystem

102

Verdichter

104

Brennkammer

106

Turbine

108

Welle

110

Düse

112

Brennstoffzufuhr
2

200

Abschnitt eines Turbinenleitapparates

202

Schaufelblatt

204

äußere Seitenwand

206

innere Seitenwand

208

Heißgasströmung

209

Kühlfluid

210

Vorderkante

212

Hinterkante

214

Verbindungsstelle zwischen Hinterkante und Seitenwand

216

Verbindungsstelle zwischen Hinterkante und Seitenwand

219

Kühlkanäle

220

Diffusor

222

Diffusor

224

Oberfläche der Seitenwand

226

Oberfläche der Seitenwand

228

Rückseite der Seitenwand

230

Rückseite der Seitenwand
3

300

Abschnitt eines Turbinenleitapparates

302

Diffusor

304

Verbindungsstelle

306

Hinterkante

308

Seitenwand

310

Kanal

312

Kühlfluid

314

Kühlfluidströmung

316

Hochdruckbereich

318

Oberfläche

320

Wärmeschutzbeschichtung

322

Absatz
4

400

Abschnitt eines Turbinenleitapparates

402

elliptischer Diffusor

404

Verbindungsstelle

406

Hinterkante

408

Seitenwand

410

Oberfläche der Seitenwand

412

Kanäle in der Hinterkante
5

500

Abschnitt eines Turbinenleitapparates

502

dreieckiger Diffusor

504

Verbindungsstelle

506

Hinterkante

508

Seitenwand

510

Kanäle in der Hinterkante

Claims

Turbinenleitapparat (200, 300, 400, 500) mit einer ersten Seitenwand (204), einer zweiten Seitenwand (206, 308, 408, 508) und einem Schaufelblatt (202), das zwischen der ersten Seitenwand (204) und der zweiten Seitenwand (206, 308, 408, 508) angeordnet ist, wobei das Schaufelblatt (202) aufweist: eine Vorderkante (210) des Schaufelblattes (202); eine Hinterkante (212, 306, 406, 506) des Schaufelblattes (202), wobei die Hinterkante (212, 306, 406, 506) eine Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504) aufweist, an der die Hinterkante (212, 306, 406, 506) mit einer der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) gekoppelt ist; einen ersten Kanal (219, 310, 412, 510) in der Nähe der Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504), wobei der erste Kanal (219, 310, 412, 510) konfiguriert ist, um ein Kühlfluid (209, 312) aufzunehmen; und einen Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal (219, 310, 412, 510), wobei der Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) konfiguriert ist, um das Kühlfluid (209, 312) zur Kühlung einer Oberfläche (224, 226, 318, 410) der einen der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) zu leiten; wobei der Diffusor (302) und der erste Kanal (310) an einer Stelle angeordnet sind, die einen Absatz (322) in der einen (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) bildet, und eine Wärmeschutzbeschichtung (320) auf die eine (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) derart aufgebracht ist, dass sie den Absatz (322) füllt und der Diffusor (302) bündig mit der zu kühlenden Oberfläche (318) der einen (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) abschließt, so dass ein stufenloser, glatter Übergang für eine Kühlfluidströmung (314) geschaffen ist, wenn diese aus dem Diffusor (302) austritt und auf die zu kühlende Oberfläche (318) überströmt.
Turbinenleitapparat (200, 300, 400, 500) nach Anspruch 1, der mehrere Kanäle (219, 310, 412, 510) aufweist, die den ersten Kanal (310) enthalten, wobei die mehreren Kanäle (219, 310, 412, 510) sich benachbart zu der Hinterkante (212, 306, 406, 506) befinden, wobei das Kühlfluid (312) durch die mehreren Kanäle (219, 310, 412, 510) strömt, um die Hinterkante (212, 306, 406, 506) zu kühlen.
Turbinenleitapparat (200, 300, 400, 500) nach Anspruch 1, wobei der Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) konfiguriert ist, um die Oberfläche (224, 226, 318, 410) der einen der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) und die Hinterkante (212, 306, 406, 506) des Schaufelblattes (202) zu kühlen, um einen Verschleiß der einen der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) und des Schaufelblattes (202) zu reduzieren.
Turbinenleitapparat (200, 300, 400, 500) nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid (312) komprimiertes Gas aufweist, das einen Film auf der Oberfläche (224, 226, 318, 410) der einen der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) bildet, um die Oberfläche (224, 226, 318, 410) zu kühlen.
Turbinenleitapparat (200, 300, 400, 500) nach Anspruch 1, wobei der Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) einen Diffusor aufweist, der aus der Gruppe bestehend aus einem dreieckigen Diffusor (502) und einem elliptischen Diffusor (402) ausgewählt ist.
Verfahren zum Kühlen einer Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504) eines Turbinenleitapparates (200, 300, 400, 500), der eine erste Seitenwand (204), eine zweite Seitenwand (206, 308, 408, 508) und ein dazwischen angeordnetes Schaufelblatt (202) aufweist, wobei die Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504) zwischen einer Hinterkante (212, 306, 406, 506) des Schaufelblattes (202) und einer der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist: Leiten eines Kühlfluids (209, 312) zu wenigstens einem Kanal (219, 310, 412, 510) in der Hinterkante (212, 306); Leiten des Kühlfluids (209, 312) von dem wenigstens einen Kanal (219, 310, 412, 510) zu einem Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) in der Nähe der Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504) zwischen der Hinterkante (212, 306) und der einen der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508); und Strömenlassen des Kühlfluids (209, 312) aus dem Diffusor (220, 222, 302, 402, 502), um einen Film auf einer Oberfläche (224, 226, 318, 410) der einen der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) zu bilden, wodurch die eine der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) gekühlt wird; wobei der Diffusor (302) und der erste Kanal (310) an einer Stelle angeordnet werden, die einen Absatz (322) in der einen (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) bildet, und eine Wärmeschutzbeschichtung (320) auf die eine (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) derart aufgebracht wird, dass sie den Absatz (322) füllt und der Diffusor (302) bündig mit der zu kühlenden Oberfläche (318) der einen (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) abschließt, so dass ein stufenloser, glatter Übergang für eine Kühlfluidströmung (314) geschaffen ist, wenn diese aus dem Diffusor (302) austritt und auf die zu kühlende Oberfläche (318) überströmt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Leiten des Kühlfluids (312) ein Leiten des Kühlfluids (312) zu mehreren Kanälen (218, 310, 412, 510) benachbart zu der Hinterkante (212, 306, 406, 506) aufweist, wobei die mehreren Kanäle (219, 310, 412, 510) den wenigstens einen Kanal (310) enthalten, wobei das Kühlfluid (312) durch die mehreren Kanäle (218, 310, 412, 510) strömt, um die Hinterkante (212, 306, 406, 506) zu kühlen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Strömenlassen des Kühlfluids (312) aus dem Diffusor (302) ein Strömenlassen des Kühlfluids (312) zu einem Hochtemperaturbereich der einen (308) der Seitenwände (204, 206, 308, 408, 508) aufweist, wobei der Hochtemperaturbereich sich in der Nähe der Verbindungsstelle (214, 216, 304, 404, 504) befindet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Leiten des Kühlfluids (312) ein Leiten eines komprimierten Gases aus einem Verdichter (102) einer Gasturbine aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Leiten des Kühlfluids (312) aus dem wenigstens einen Kanal (219, 310, 412, 510) zu dem Diffusor (220, 222, 302, 402, 502) ein Leiten des Kühlfluids (312) zu einem ausgewählten Diffusor aus der Gruppe mit einem dreieckigen Diffusor (502) und einem elliptischen Diffusor (402) aufweist.