DE102011053761B4

DE102011053761B4 - Vorrichtung zur Kühlung von Plattformbereichen von Turbinenlaufschaufeln

Info

Publication number: DE102011053761B4
Application number: DE102011053761.9A
Authority: DE
Inventors: Scott Edmond Ellis; Xiaoyong Fu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: US8814517B2; JP5898899B2; CH703874A2; DE102011053761A1; JP2012077746A; CH703874B1; CN102619573A; CN102619573B; US20120082565A1

Abstract

Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel (100), die eine Plattform (110) an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt (102) und einem Fuß (104) aufweist, wobei die Turbinenlaufschaufel (100) einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal (116) enthält, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuß (104) wenigstens bis ungefähr zu der radialen Höhe der Plattform (110) erstreckt, wobei im Betrieb der innere Kühlkanal (116) einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich aufweist, entlang einer Seite, die mit einer Druckseite des Schaufelblattes (102) zusammenfällt, eine Druckseite der Plattform (110) eine Plattformoberseite (113) aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt (102) bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand (126) erstreckt, und entlang einer Seite, die mit einer Saugseite des Schaufelblattes (102) zusammenfällt, eine Saugseite der Plattform (110) eine Plattformoberseite (113) aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt (102) bis zu einer saugseitigen Schlitzseitenwand (122) erstreckt, wobei die Plattformkühleinrichtung aufweist:einen Plattformschlitz (134), der sich in Umfangsrichtung von einer Mundöffnung erstreckt, die durch die druckseitige Schlitzseitenwand (126) hindurchführend ausgebildet ist;eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148), die den Plattformschlitz (134) mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet;eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149), die den Plattformschlitz (134) mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet; undeinen Plattformkühleinsatz (130), der in dem Plattformschlitz (134) lösbar eingesetzt ist, wobei der Plattformkühleinsatz (130) einen oder mehrere Einsatzkühlkanäle (138) aufweist.

Description

Hintergrund zu der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Verbrennungsturbinen, die, wie hierin verwendet und sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, alle Arten von Verbrennungsturbinen enthalten, wie beispielsweise diejenigen, die bei der Energieerzeugung und in Flugtriebwerken verwendet werden. Insbesondere, jedoch keineswegs beschränkend, betrifft die vorliegende Anmeldung Vorrichtungen und Systeme zur Kühlung der Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln.
Eine Gasturbine enthält gewöhnlich einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine enthalten im Allgemeinen Reihen von Schaufelblättern oder Schaufeln, die in Stufen axial gestapelt sind. Jede Stufe enthält gewöhnlich eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Statorschaufeln, die ortsfest sind, und einen Satz von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Laufschaufeln, die um eine zentrale Achse oder an einer Welle rotieren. Im Betrieb rotieren die Laufschaufeln in dem Verdichter an der Welle, um eine Luftströmung zu komprimieren. Die komprimierte Luft wird anschließend innerhalb der Brennkammer dazu verwendet, einen zugeführten Brennstoff zu verbrennen. Die resultierende Strömung von Heißgasen aus dem Verbrennungsprozess wird beim Durchgang durch die Turbine expandiert, was die Laufschaufeln veranlasst, die Welle, an der sie befestigt sind, zu drehen. Auf diese Weise wird in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der umlaufenden Welle umgewandelt, die dann z.B. verwendet werden kann, um die Spulen eines Generators zu drehen, um Elektrizität zu erzeugen.
Bezugnehmend auf die 1 und 2 enthalten Turbinenlaufschaufeln 100 allgemein einen tragflächenprofilförmigen Abschnitt oder ein Schaufelblatt 102 und einen Wurzelabschnitt oder Fuß 104. Das Schaufelblatt 102 kann als mit einer konvexen Saugfläche 105 und einer konkaven Druckfläche 106 beschrieben werden. Das Schaufelblatt 102 kann ferner als eine Anströmkante, die die Vorderkante 107 ist, und eine Abströmkante, die die Hinterkante 108 ist, aufweisend beschrieben werden. Der Fuß 104 kann so beschrieben werden, dass er eine Struktur (die, wie veranschaulicht, gewöhnlich einen Schwalbenschwanz 109 enthält) zur Befestigung der Turbinenlaufschaufel 100 an der Rotorwelle, eine Plattform 110, von der sich das Schaufelblatt 102 aus erstreckt, und einen Schaft 112 aufweist, der die Struktur zwischen dem Schwalbenschwanz 109 und der Plattform 110 enthält.
Wie veranschaulicht, kann die Plattform 110 im Wesentlichen eben sein. (Es ist zu beachten, dass „eben“, wie es hierin verwendet wird, ungefähr oder im Wesentlichen in der Form einer Ebene bedeutet. Zum Beispiel wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Plattformen konfiguriert sein können, um eine Außenfläche zu haben, die leicht gekrümmt oder konvex ist, wobei die Krümmung dem Umfang der Turbine an der radialen Stelle der Laufschaufeln entspricht. Wie hierin verwendet, wird diese Art der Plattformgestalt als eben angesehen, da der Krümmungsradius groß genug ist, um der Plattform eine flache Erscheinungsform zu verleihen.) Insbesondere kann die Plattform 110 eine ebene Plattformoberseite 113 aufweisen, die, wie in 1 veranschaulicht, eine sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche enthalten kann. Wie in 2 veranschaulicht, kann die Plattform 110 eine ebene Unterseite 114 aufweisen, die ebenfalls eine sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche enthalten kann. Die Plattformoberseite 113 und die Unterseite 114 der Plattform 110 können derart ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Wie dargestellt, wird erkannt, dass die Plattform 110 gewöhnlich ein dünnes radiales Profil aufweist, d.h., es liegt ein relativ kleiner radialer Abstand zwischen der Plattformoberseite 113 und der Unterseite 114 der Plattform 110 vor.
Im Allgemeinen wird die Plattform 110 auf Turbinenlaufschaufeln 100 verwendet, um eine innere Strömungspfadbegrenzung des Heißgaspfadbereiches der Gasturbine zu bilden. Die Plattform 110 bietet ferner strukturellen Halt für das Schaufelblatt 102. Im Betrieb ruft die Drehgeschwindigkeit der Turbine eine mechanische Belastung hervor, die hochbeanspruchte Regionen entlang der Plattform 110 hervorbringt, die, wenn sie mit hohen Temperaturen gekoppelt werden, schließlich die Bildung betriebsbedingter Defekte, wie beispielsweise Oxidation, Kriechen, Rissbildung bei niederfrequenter Ermüdungsbelastung und andere, bewirken. Diese Defekte beeinflussen natürlich in negativer Weise die Nutzungslebensdauer der Turbinenlaufschaufel 100. Es wird erkannt, dass diese rauen Betriebsbedingungen, d.h. die Beaufschlagung mit extremen Temperaturen des Heißgaspfades und der mechanischen Belastung, wie sie mit den Laufschaufeln verbunden sind, zu beträchtlichen Herausforderungen beim Entwurf beständiger, langlebiger Plattformen 110 von Turbinenlaufschaufeln führen, die sowohl gut funktionieren, als auch kostengünstig herzustellen sind.
Eine übliche Lösung dafür, die Region der Plattform 110 langlebiger zu machen, besteht darin, diese mit einer Strömung einer komprimierten Luft oder eines anderen Kühlmittels während des Betriebs zu kühlen, wobei vielfältige dieser Arten von Plattformkonstruktionen bekannt sind. Jedoch wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass die Plattformregion bestimmte konstruktive Herausforderungen bietet, die eine Kühlung auf diese Weise schwierig machen. Im wesentlichen Teil ist dies auf die ungünstige Geometrie dieser Region insofern zurückzuführen, als die Plattform 110, wie beschrieben, eine Peripheriekomponente ist, die sich von dem zentralen Kern der Laufschaufel entfernt befindet und gewöhnlich derart gestaltet ist, dass sie eine strukturell robuste, jedoch geringe radiale Dicke aufweist.
Um ein Kühlmittel zirkulieren zu lassen, enthalten Turbinenlaufschaufeln 100 gewöhnlich einen oder mehrere hohle Kühlkanäle 116 (vgl. 3, 4 und 5), die sich zumindest radial durch den Kern der Turbinenlaufschaufel 100 hindurch, einschließlich durch den Fuß 104 und das Schaufelblatt 102, erstrecken. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, können derartige Kühlkanäle 116 zur Steigerung des Wärmeaustausches mit einem serpentinenförmigen Pfad ausgebildet sein, der sich durch die zentralen Bereiche der Turbinenlaufschaufel 100 windet, obwohl andere Konfigurationen möglich sind. Im Betrieb kann ein Kühlmittel in die zentralen Kühlkanäle über einen oder mehrere Einlässe 117 eintreten, die in dem innenliegenden Abschnitt des Fußes 104 ausgebildet sind. Das Kühlmittel kann durch die Turbinenlaufschaufel 100 strömen und durch (nicht veranschaulichte) Auslässe, die an dem Schaufelblatt ausgebildet sind, und/oder über einen oder mehrere (nicht veranschaulichte) Auslässe, die in dem Fuß 104 ausgebildet sind, austreten. Das Kühlmittel kann unter Druck gesetzt sein und kann z.B. Druckluft, mit Wasser gemischte Druckluft, Dampf und dergleichen enthalten. In vielen Fällen ist das Kühlmittel komprimierte Luft, die aus dem Verdichter der Maschine abgeleitet wird, obwohl andere Quellen möglich sind. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, enthalten diese Kühlkanäle gewöhnlich einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich. Der Hochdruck-Kühlmittelbereich entspricht gewöhnlich einem stromaufwärtigen Abschnitt des Kühlkanals, der einen höheren Kühlmitteldruck aufweist, während der Niederdruck-Kühlmittelbereich einem stromabwärtigen Abschnitt mit einem relativ niedrigeren Kühlmitteldruck entspricht.
In vielen Fällen kann das Kühlmittel aus den Kühlkanälen 116 in einen Hohlraum 119 eingeleitet werden, der zwischen den Schäften 112 und den Plattformen 110 benachbarter Turbinenlaufschaufeln 100 ausgebildet ist. Von dort aus kann das Kühlmittel verwendet werden, um die Plattformregion der Laufschaufel zu kühlen, von der eine herkömmliche Konstruktion in 3 dargestellt ist. Diese Konstruktionsbauart entnimmt gewöhnlich Luft aus einem der Kühlkanäle 116 und verwendet die Luft, um den zwischen den Schäften 112/Plattformen 110 gebildeten Hohlraum 119 unter Druck zu setzen. Sobald er unter Druck gesetzt ist, liefert dieser Hohlraum 119 anschließend das Kühlmittel zu Kühlkanälen, die sich durch die Plattformen 110 hindurch erstrecken. Nach dem Durchströmen der Plattform 110 kann die Kühlluft durch Filmkühllöcher, die in der Plattformoberseite 113 der Plattform 110 ausgebildet sind, aus dem Hohlraum austreten.
Es wird jedoch erkannt, dass diese Art einer herkömmlichen Konstruktion mehrere Nachteile aufweist. Erstens ist der Kühlkreislauf nicht in sich abgeschlossen in einem einzigen Bauteil enthalten, da der Kühlkreislauf erst gebildet wird, nachdem zwei benachbarte Turbinenlaufschaufeln 100 zusammengebaut werden. Dies trägt zu einem hohen Schwierigkeitsgrad und einer hohen Komplexität beim Einbau und bei Strömungstests vor dem Einbau bei. Ein zweiter Nachteil besteht darin, dass die Gesamtheit des zwischen benachbarten Turbinenlaufschaufeln 100 gebildeten Hohlraums 119 davon abhängt, wie gut der Umfang des Hohlraums 119 abgedichtet ist. Eine unzureichende Abdichtung kann zu einer unzureichenden Plattformkühlung und/oder verschwendeter Kühlluft führen. Ein dritter Nachteil liegt in der inhärenten Gefahr, dass Heißgaspfadgase in den Hohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst eingesaugt werden können. Dies kann auftreten, falls der Hohlraum 119 während des Betriebs nicht bei einem hinreichend hohen Druck gehalten wird. Falls der Druck des Hohlraums 119 unter den Druck innerhalb des Heißgaspfades fällt, werden heiße Gase in den Schafthohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst eingesaugt, was gewöhnlich diese Komponenten beschädigt, da sie nicht dazu ausgelegt sind, einer Belastung unter den Heißgaspfadbedingungen ausgesetzt zu werden.
4 und 5 veranschaulichen eine weitere Bauart einer herkömmlichen Konstruktion zur Plattformkühlung. In diesem Fall ist der Kühlkreislauf innerhalb der Turbinenlaufschaufel 100 enthalten und umfasst nicht den Schafthohlraum 119, wie dies dargestellt ist. Kühlluft wird aus einem der Kühlkanäle 116 entnommen, die durch den Kern der Turbinenlaufschaufel 100 verlaufen, und durch Plattformkühlkanäle 120, die innerhalb der Plattform 110 ausgebildet sind (d.h. „Plattformkühlkanäle 120“), nach hinten geleitet. Wie durch die verschiedenen Pfeile veranschaulicht, strömt die Kühlluft durch die Plattformkühlkanäle 120 hindurch und tritt durch Auslässe in der hinteren Kante 121 der Plattform 110 oder aus Auslässen, die entlang der saugseitigen Kante, d.h. der saugseitigen Schlitzseitenwand 122, angeordnet sind, aus. (Es ist zu beachten, dass bei der Beschreibung von oder der Bezugnahme auf die Kanten oder Seitenwände der rechteckigen Plattform 110, jede auf der Basis ihrer Lage in Bezug auf die Saugfläche 105 und Druckfläche 106 des Schaufelblattes 102 und/oder die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung der Maschine, wenn die Turbinenlaufschaufel 100 eingebaut ist, abgegrenzt werden kann. An sich wird ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass die Plattform eine Hinterkante 121, eine Saugseitenkante oder saugseitige Schlitzseitenwand 122, eine Vorderkante 124 und eine Druckseitenkante oder druckseitige Schlitzseitenwand 126 enthalten kann, wie sie in den 3 und 4 angezeigt sind. Außerdem werden die Saugseitenkante und die Druckseitenkante üblicherweise auch als „Schlitzseitenwände“ bezeichnet, und der dazwischen ausgebildete enge Hohlraum, wenn benachbarte Turbinenlaufschaufeln 100 eingebaut sind, kann als ein „Schlitzseitenwandhohlraum“ bezeichnet werden.)
Es wird erkannt, dass die herkömmlichen Konstruktionen gemäß den 4 und 5 einen Vorteil gegenüber der Konstruktion nach 3 insofern haben, als sie durch Schwankungen der Montage- oder Einbaubedingungen nicht beeinflusst werden. Jedoch haben herkömmliche Konstruktionen dieser Art mehrere Beschränkungen oder Nachteile. Erstens ist, wie veranschaulicht, nur ein einziger Kreislauf auf jeder Seite des Schaufelblattes 102 vorgesehen, und somit besteht der Nachteil, dass eine begrenzte Steuerung oder Kontrolle der Kühlluftmenge, die an unterschiedlichen Stellen in der Plattform 110 verwendet wird, vorliegt. Zweitens haben herkömmliche Konstruktionen dieser Art einen Abdeckungs- bzw. Wirkbereich, der im Wesentlichen begrenzt ist. Während der serpentinenartige Pfad nach 5 hinsichtlich der Abdeckung bzw. des Wirkbereiches gegenüber 4 eine Verbesserung darstellt, sind weiterhin tote Bereiche innerhalb der Plattform 110 vorhanden, die ungekühlt bleiben. Drittens steigen die Herstellungskosten, um einen besseren Abdeckungsbereich mit komplex gestalteten Plattformkühlkanälen zu erhalten, erheblich, insbesondere wenn die Kühlkanäle Formen aufweisen, die einen Gießprozess zu ihrer Herstellung erfordern. Viertens geben diese herkömmlichen Konstruktionen das Kühlmittel gewöhnlich in den Heißgaspfad aus, nachdem dieses genutzt wurde und bevor das Kühlmittel vollständig erschöpft ist, was den Wirkungsgrad der Maschine negativ beeinflusst. Fünftens weisen herkömmliche Konstruktionen dieser Art im Allgemeinen wenig Flexibilität auf. Das heißt, die Plattformkühlkanäle 120 werden als ein integraler Teil der Plattform 110 erzeugt und bieten wenig oder keine Möglichkeit, um ihre Funktion oder Konfiguration zu verändern, wenn die Betriebsbedingungen variieren. Außerdem sind diese Arten herkömmlicher Konstruktionen schwer zu reparieren oder zu überholen.
Infolgedessen fehlen herkömmliche Plattformkühlkonstruktionen in einem oder mehreren wichtigen Bereichen. Es bleibt ein Bedarf nach verbesserten Vorrichtungen und Systemen, die die Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln effektiv und effizient kühlen, während sie auch kostengünstig zu schaffen, flexibel bei der Anwendung und langlebig sind.
DE 10 2006 004 437 A1 und JP 2005 - 146 858 A offenbaren jeweils eine Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel, die eine Plat-form an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einem Fuß aufweist, wobei die Laufschaufel einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal enthält, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuß wenigstens bis ungefähr zu der radialen Höhe der Plattform erstreckt, wobei im Betrieb der innere Kühlkanal einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich aufweist, entlang einer Seite, die mit einer Druckseite des Schaufelblattes zusammenfällt, eine Druckseite der Plattform eine Oberseite aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand erstreckt, und entlang einer Seite, die mit einer Saugseite des Schaufelblattes zusammenfällt, eine Saugseite der Plattform eine Oberseite aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt bis zu einer saugseitigen Schlitzseitenwand erstreckt, wobei die Plattformkühleinrichtung aufweist: einen Hohlraum, der sich in Umfangsrichtung druckseitig mundartig erstreckt, eine Verbindungseinrichtung, die den Hohlraum mit dem inneren Kühlkanal verbindet, und einen Plattformkühleinsatz, der in dem Hohlraum lösbar eingesetzt ist, wobei der Plattformkühleinsatz einen oder mehrere Einsatzkühlkanäle aufweist.
US 5 813 835 A offenbart eine ähnliche Plattformkühleinrichtung mit einem Plattformhohlraum, der sich in Umfangsrichtung erstreckt, einer Hochdruck-Verbindungseinrichtung, die den Plattformhohlraum mit einem Hochdruck-Kühlmittelbereich eines inneren Kühlkanals verbindet, und einer Niederdruck-Verbindungseinrichtung, die den Plattformhohlraum mit einem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet.
Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel zu schaffen, die wenigstens einige der oben erwähnten Unzulänglichkeiten beseitigt und eine effektive und effiziente Kühlung der Plattformregion der Turbinenlaufschaufel ermöglicht. Vorzugsweise ist die Plattformkühleinrichtung auch kostengünstig herzustellen, flexibel bei der Anwendung und langlebig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel geschaffen, die eine Plattform an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einem Fuß aufweist. Die Turbinenlaufschaufel enthält einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuß wenigstens bis ungefähr zu der radialen Höhe der Plattform erstreckt, wobei im Betrieb der innere Kühlkanal einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich aufweist und wobei entlang einer Seite, die mit der Druckseite des Schaufelblattes zusammenfällt, eine Druckseite der Plattform eine Plattformoberseite aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand erstreckt, und entlang einer Seite, die mit einer Saugseite des Schaufelblattes zusammenfällt, eine Saugseite der Plattform eine Plattformoberseite aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt bis zu einer saugseitigen Schlitzseitenwand erstreckt. Die Plattformkühlkonfiguration enthält: einen Plattformschlitz, der sich in Umfangsrichtung von einer Mundöffnung aus erstreckt, die durch die druckseitige Schlitzseitenwand hindurchführend ausgebildet ist; eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung, die den Plattformschlitz mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet; eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung, die den Plattformschlitz mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet; und einen Plattformkühleinsatz, der in dem Plattformschlitz lösbar eingesetzt ist, wobei der Plattformkühleinsatz einen oder mehrere Einsatzkühlkanäle aufweist.
Diese und weitere Merkmale des vorliegenden Anmeldegegenstandes erschließen sich bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
Figurenliste
Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden beim sorgfältigen Studium der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen umfassender verstanden und erkannt, worin zeigen:

1 eine Perspektivansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
2 eine Unterseitenansicht einer Turbinenlaufschaufel, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
3 eine Schnittansicht von benachbarten Turbinenlaufschaufeln mit einem Kühlsystem gemäß einer herkömmlichen Konstruktion;
4 eine Draufsicht auf eine Turbinenlaufschaufel, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen aufweist, gemäß einer herkömmlichen Konstruktion;
5 eine Draufsicht auf eine Turbinenlaufschaufel, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen aufweist, gemäß einer alternativen herkömmlichen Konstruktion;
6 eine Perspektivansicht einer Turbinenlaufschaufel und eines Plattformkühleinsatzes im demontierten Zustand entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine Draufsicht auf die Turbinenlaufschaufel und den Plattformkühleinsatz nach 6 in einem montierten Zustand, teilweise aufgeschnitten;
8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 8-8 nach 7;
9 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 9-9 nach 7;
10 eine zum Teil aufgeschnittene Draufsicht auf eine Turbinenlaufschaufel mit einem Plattformkühleinsatz gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine zum Teil aufgeschnittene Draufsicht auf eine Turbinenlaufschaufel mit einem Plattformkühleinsatz gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
12 ein (als solches nicht beanspruchtes) beispielhaftes Verfahren zur Erzeugung einer Plattformkühleinrichtung gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist verständlich, dass Turbinenschaufeln, die über die innere Zirkulation eines Kühlmittels gekühlt werden, gewöhnlich einen inneren Kühlkanal 116 enthalten, der sich von dem Fuß aus radial nach außen durch die Plattformregion hindurch und in das Schaufelblatt hinein erstreckt, wie dies vorstehend in Bezug auf verschiedene herkömmliche Kühlkonstruktionen beschrieben ist. Es ist verständlich, dass bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit herkömmlichen Kühlmittelkanälen verwendet werden können, um eine effiziente aktive Plattformkühlung zu verbessern oder zu ermöglichen, so dass die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer üblichen Konstruktion erläutert ist: einem inneren Kühlkanal 116 mit einer sich windenden oder serpentinenförmigen Konfiguration. Wie in den 7, 10 und 11 dargestellt, ist der serpentinenförmige Pfad gewöhnlich konfiguriert, um eine Strömung eins Kühlmittels in einer Richtung zu ermöglichen, und er enthält Merkmale, die den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der umgebenden Turbinenlaufschaufel 100 unterstützen. Im Betrieb wird ein unter Druck stehendes Kühlmittel, das gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Druckluft ist (obwohl andere Kühlmittelarten, wie beispielsweise Dampf, bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden können) zu dem inneren Kühlkanal 116 über eine durch den Fuß 104 hindurch geschaffene Verbindung geliefert. Der Druck treibt das Kühlmittel durch den inneren Kühlkanal 116 hindurch, und das Kühlmittel führt durch Konvektion Wärme von den umgebenden Wänden ab.
Es ist zu verstehen, dass das Kühlmittel, während es durch den Kühlkanal 116 strömt, an Druck verliert, wobei das Kühlmittel in den stromaufwärtigen Abschnitten des inneren Kühlkanals 116 einen höheren Druck als das Kühlmittel in stromabwärtigen Abschnitten aufweist. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert, kann diese Druckdifferenz verwendet werden, um das Kühlmittel über oder durch Kühlkanäle, die in der Plattform ausgebildet sind, zu treiben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in Turbinenlaufschaufeln 100 verwendet werden kann, die innere Kühlkanäle mit unterschiedlichen Konfigurationen aufweisen, und sie nicht auf innere Kühlkanäle mit einer serpentinenartigen Form beschränkt ist. Demgemäß soll der Ausdruck „innerer Kühlkanal“ oder „Kühlkanal“, wie er hierin verwendet wird, bedeuten, dass er einen beliebigen Durchgang oder hohlen Kanal umfasst, durch den ein Kühlmittel in der Laufschaufel strömen gelassen werden kann. Wie hierin vorgesehen, erstreckt sich der innere Kühlkanal 116 gemäß der vorliegenden Erfindung bis wenigstens zu der ungefähren radialen Höhe der Plattform 110, und er kann wenigstens einen Bereich mit relativ höherem Kühlmitteldruck (der hier nachstehend als ein „Bereich mit hohem Druck“ bezeichnet wird und in einigen Fällen ein stromaufwärtiger Abschnitt innerhalb eines serpentinenförmigen Kanals sein kann) und wenigstens einen Bereich mit relativ niedrigerem Kühlmitteldruck enthalten (der hier nachstehend als ein „Bereich mit niedrigem Druck“ bezeichnet wird und im Verhältnis zu dem Bereich mit hohem Druck ein stromabwärtiger Abschnitt innerhalb eines serpentinenförmigen Kanals sein kann).
Im Allgemeinen sind die verschiedenen Konstruktionen der herkömmlichen inneren Kühlkanäle 116 bei der Erzielung einer aktiven Kühlung für bestimmte Bereiche innerhalb der Turbinenlaufschaufel 100 wirksam. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet jedoch erkennen wird, erweist sich die Plattformregion als mehr herausfordernd. Dies rührt wenigstens zum Teil von der ungünstigen Geometrie der Plattform - d.h. ihrer geringen radialen Höhe und der Art und Weise, in der sie von dem Kern oder Hauptkörper der Turbinenlaufschaufel 100 vorragt - her. Jedoch sind bei ihren gegebenen Belastungen durch die extremen Temperaturen des Heißgaspfades und die hohe mechanische Beanspruchung die Kühlanforderungen der Plattform beträchtlich. Wie vorstehend beschrieben, sind herkömmliche Plattformkühlkonstruktionen ineffektiv, weil sie die speziellen Herausforderungen der Region nicht bewältigen, bei ihrer Nutzung des Kühlmittels ineffizient und/oder kostspielig herzustellen sind.
Erneut bezugnehmend auf die Figuren, zeigen 6-11 verschiedene Ansichten beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie veranschaulicht, enthält die vorliegende Erfindung allgemein einen lösbaren bzw. herausnehmbaren Plattformkühleinsatz 130, der in einer Turbinenlaufschaufel 100 installiert ist. Insbesondere kann die Plattform 110 der Turbinenlaufschaufel 100 einen Plattformschlitz 134 enthalten, der derart ausgebildet ist, dass der Plattformkühleinsatz 130 darin passt. Wie veranschaulicht, kann der Plattformschlitz 134 in einer beispielhaften Ausführungsform durch die druckseitige Schlitzseitenwand 126 hindurchführend ausgebildet sein (obwohl andere Stellen entlang der anderen Kanten der Plattform 110, wie beispielsweise die saugseitige Schlitzseitenwand 122, ebenfalls möglich sind). Der Plattformschlitz 134 kann eine rechteckig gestaltete Mundöffnung aufweisen. Wie veranschaulicht, kann die Mundöffnung derart konfiguriert sein, dass sie in der Radialrichtung relativ dünn und in der Axialrichtung relativ weit ist. Es versteht sich, dass sich der Plattformschlitz 134 von der Mundöffnung aus in Umfangsrichtung in die Plattform 110 hinein erstreckt, wodurch darin ein Hohlraum ausgebildet ist.
Der Plattformkühleinsatz 130 kann eine dünne scheibenartige Gestalt aufweisen und kann derart konfiguriert sein, dass er passgenau in den Plattformschlitz 134 hineinpasst. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert, kann der Plattformkühleinsatz 130 mehrere Einsatzkühlkanäle 138 enthalten. Außerdem kann der Plattformkühleinsatz 130 eine flache, rechteckige äußere Seitenwand 136 aufweisen, die, sobald der Plattformkühleinsatz 130 in dem Plattformschlitz 134 richtig eingebaut ist, die Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 im Wesentlichen bedeckt, sperrt oder verschließt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen verhindert die äußere Seitenwand 136, wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, dass das Kühlmittel durch die Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 aus der Turbinenlaufschaufel 100 austritt.
Wie erläutert, kann die Plattform 110 einen integral ausgebildeten Plattformschlitz 134 enthalten. Die Gestalt des Plattformschlitzes 134 kann variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 6 veranschaulicht ist, kann sich der Plattformschlitz 134 in Umfangsrichtung von der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 aus erstrecken. In dieser bevorzugten Ausführungsform verengt sich der Plattformschlitz 134 in seinem Verlauf von der Mundöffnung in der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 zu der Mitte der Plattform 110 hin. Die Verengung kann im Wesentlichen dem gekrümmten Profil entsprechen, das an der Verbindung zwischen der Druckfläche 106 des Schaufelblattes 102 und der Plattform 110 ausgebildet ist (wobei sich „Profil“ auf die Perspektive gemäß 7, 10 und 11 bezieht). An sich kann der Plattformschlitz 134 eine gekrümmte innere Wand oder Rückwand aufweisen, die hinsichtlich der Form und Position mit der gekrümmten Gestalt des Profils der Druckfläche 106 des Schaufelblattes 102 eng verbunden ist. Insbesondere kann die Rückwand bogenartig von einer vorderen Position in der Nähe der Vorderkante der Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 zu einer hinteren Position in der Nähe der Hinterkante der Mundöffnung verlaufen. Es sollte für Fachleute auf dem Gebiet erkennbar sein, dass andere Konfigurationen des Plattformschlitzes 134 ebenfalls verwendet werden können. Jedoch wird erkannt, dass der Plattformschlitz 134 gemäß den bevorzugten Ausführungsformen nach 6 bis 11 verwendet werden kann, um effizient eine Kühlabdeckung für im Wesentlichen alle Abschnitte der Druckseite der Plattform 110 zu erzielen. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass weitere Leistungsvorteile möglich sind.
Der Plattformkühleinsatz 130 und der Plattformschlitz 134 können derart konfiguriert sein, dass im zusammengebauten Zustand innerhalb des Plattformschlitzes 134 eine oder mehrere Plenumkammern ausgebildet sind. Insbesondere sind die Plenumkammern zwischen der Außenwand des Plattformkühleinsatz 130 und der Innenwand des Plattformschlitzes 134 ausgebildet. Wie in 7 veranschaulicht, können die Plenumkammern eine Hochdruck-Plenumkammer 145 enthalten, die in der veranschaulichten Ausführungsform entlang der vorderen Bereiche des Plattformschlitzes 134 erzeugt ist. Ferner kann, wie ferner in 6 veranschaulicht, eine Niederdruck-Plenumkammer 146 entlang der hinteren Bereiche des Plattformschlitzes 134 erzeugt sein. Die Funktion der Plenumkammern ist in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert.
Wie in 7 veranschaulicht, können zwei Verbindungseinrichtungen, eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 und eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149, vorgesehen sein, um den inneren Kühlkanal 116 mit dem Plattformschlitz 134 in irgendeiner gewünschten Weise zu verbinden. Während dies nicht speziell angezeigt ist, versteht es sich, dass die folgende Beschreibung der Funktionsweise annimmt, dass die stromaufwärtigen Abschnitte des inneren Kühlkanals 116 sich näher zu der Vorderkante 107 der Turbinenlaufschaufel 100 hin befinden und dass die stromabwärtigen Abschnitte des inneren Kühlkanals 116 sich näher zu der Hinterkante 108 der Turbinenlaufschaufel 100 hin befinden. (Jedoch ist diese Konfiguration für die Umsetzung der momentanen Erfindung nicht notwendig und nur beispielhaft.) Im Betrieb kann ein Kühlmittel in den inneren Kühlkanal 116 an einer Stelle in der Nähe der Vorderkante 107 des Schaufelblattes 102 eintreten und abwechselnd radial nach außen/nach innen durch den inneren Kühlkanal 116 strömen, während sich das Kühlmittel in einer rückwärtigen Richtung schlängelt. Wie veranschaulicht, kann die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 derart konfiguriert sein, dass ein stromaufwärtiger (und einen höheren Druck aufweisender) Abschnitt des inneren Kühlkanals 116 mit einem vorbestimmten Abschnitt des Plattformschlitzes 134, der, wie angegeben, als die Hochdruck-Plenumkammer 145 bezeichnet werden kann, strömungsmäßig kommuniziert. Die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 146 kann derart konfiguriert sein, dass ein stromabwärtiger Abschnitt des Kühlkanals mit einem vorbestimmten Abschnitt des Plattformschlitzes 134 strömungsmäßig kommuniziert, der, wie angegeben, als die Niederdruck-Plenumkammer 146 bezeichnet werden kann. Es ist verständlich, dass in einigen Ausführungsformen die Hochdruck-Plenumkammer 145 und die Niederdruck-Plenumkammer 146 nicht vorhanden sein können.
Der Plattformkühleinsatz 130 kann in dem Plattformschlitz 134 sicher eingebaut werden. Dies kann über eine Presspassung, beispielsweise durch Hämmern oder Strahlen, oder durch Verschweißung, Lötung oder andere herkömmliche Montageverfahren geschehen. Da jedoch der Plattformkühleinsatz 130 kein integraler Teil der Plattform 110 der Turbinenlaufschaufel 100 ist, bleibt der Plattformkühleinsatz 130 bei jeder dieser Verbindungsarten lösbar bzw. herausnehmbar (d.h., er kann zur Wiederverwendung, Reparatur, Abstimmung, Inspektion entfernt und zur weiteren Verwendung wieder angebracht oder durch einen anderen neuen oder modifizierten Plattformkühleinsatz 130 ersetzt werden). Wie ausgeführt, kann die Mundöffnung des Plattformschlitzes 134, nachdem der Plattformkühleinsatz 130 eingebaut worden ist, über herkömmliche Verfahren dichtend verschlossen werden. Dies kann vorgenommen werden, um eine Leckage durch die Schlitzseitenwand und/oder den Austritt von Kühlmittel in den Heißgaspfad an dieser Stelle zu verhindern oder zu beschränken. In anderen Ausführungsformen können, wie in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert, ferner Kühlöffnungen vorgesehen sein, die mit den Einsatzkühlkanälen 138 verbunden sind. Es versteht sich, dass eine Verhinderung eines Leckstroms durch die druckseitige Schlitzseitenwand 126 bedeutet, dass im Wesentlichen das gesamte durch den Plattformschlitz 134 strömende Kühlmittel zurück in den inneren Kühlkanal 116 geleitet wird, wo es ferner zur Kühlung anderer Bereiche der Turbinenlaufschaufel 100 verwendet oder in irgendeiner sonstigen Weise genutzt werden kann.
Um die Plattform zu kühlen, enthält der Plattformkühleinsatz 130 allgemein einen oder mehrere Einsatzkühlkanäle 138, die dem Kühlmittel ermöglichen, durch den Plattformkühleinsatz 130 und im Wesentlichen zwischen der Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 und der Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 zu strömen. Diese Strömung wird durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Bereichen angetrieben. Im Allgemeinen sind die Einsatzkühlkanäle 138 derart konfiguriert, dass die Strömung des Kühlmittels durch diese die Abführung von Wärme aus der Plattform 110 fördert. 6 bis 11 zeigen verschiedene Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform der Einsatzkühlkanäle 138. Während verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Einsatzkühlkanäle 138 hierin beschrieben sind, wird erkannt, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist und dass auch Einsatzkühlkanäle 138 mit anderen Konfigurationen erfolgreich eingesetzt werden können. Wie veranschaulicht, kann der Plattformkühleinsatz 130 in einer bevorzugten Ausführungsform mehrere axial ausgerichtete parallele Einsatzkühlkanäle 138 enthalten, die sich von der Hochdruck-Plenumkammer 145 zu der Niederdruck-Plenumkammer 146 erstrecken. Die auf diese Weise ausgebildeten Einsatzkühlkanäle 138 unterstützen eine Konvektionskühlung durch diesen Bereich der Plattform 110, während das Kühlmittel über den Plattformschlitz 134 und durch die Einsatzkühlkanäle 138 strömt. Insbesondere führt das Kühlmittel Wärme durch Konvektion von den Wänden des Plattformkühleinsatzes 130 ab, und der Plattformkühleinsatz 130 führt wiederum Wärme durch Konduktion von den umgebenden Bereichen der Plattform 110 ab.
Der Plattformkühleinsatz 130 und der Plattformschlitz 134 können, wie ausgeführt, derart konfiguriert sein, dass nach Montage zwei gesonderte Lücken oder Plenumkammern an vorbestimmten Stellen innerhalb des Plattformschlitzes 134, d.h. die Hochdruck-Plenumkammer 145 und die Niederdruck-Plenumkammer 146, erzeugt sind. Allgemein weisen die beiden Plenumkammern eine Leerstelle oder einen Sammler bzw. Verteiler auf, der durch die Außenfläche des Plattformkühleinsatzes 130 und eine gekrümmte Rückwand oder innere Wand des Plattformschlitzes 134 gebildet ist, was am besten in den 7 und 10 veranschaulicht ist. Es wird erkannt, dass in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere der beschriebenen Plenumkammern ggf. nicht vorhanden sein können. In derartigen Ausführungsformen würde z.B. das von der Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 ausströmende Kühlmittel beim Eintreten in den Plattformschlitz 134 unmittelbar in einen Einsatzkühlkanal 138 einströmen; oder z.B. das in die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 einströmende Kühlmittel würde aus einem Einsatzkühlkanal 138 unmittelbar ausströmen, ohne zunächst durch die Niederdruck-Plenumkammer 146 zu strömen.
Die Hochdruck-Plenumkammer 145 kann entlang eines vorderen Abschnitts der inneren Wand des Plattformschlitzes 134, beginnend an einer Stelle gerade innerhalb der Mundöffnung und endend knapp vor dem Zentrum oder Mittelpunkt der inneren Wand, positioniert sein. Die Niederdruck-Plenumkammer 146 kann entlang eines hinteren Abschnitts der inneren Wand des Plattformschlitzes 134, beginnend an einer Position gerade innerhalb der Mundöffnung und endend knapp hinter dem Zentrum oder Mittelpunkt der inneren Wand, positioniert sein. Es versteht sich, dass der Plattformkühleinsatz 130 derart konfiguriert ist, dass die erzeugten Plenumkammern durch wenigstens einen Abschnitt des Plattformkühleinsatzes 130 voneinander getrennt sind. Während ein Teil des Kühlmittels den Plattformkühleinsatz 130 umströmen kann, erfordert diese Konfiguration es, dass wenigstens ein Teil des Kühlmittels, der durch den Plattformschlitz 134 hindurchtritt, durch wenigstens einen Abschnitt der Einsatzkühlkanäle 138 strömt. In einigen Ausführungsformen kann der Plattformkühleinsatz 130 derart konfiguriert sein, dass im Wesentlichen das gesamte Kühlmittel durch diesen hindurchströmt (d.h. im Wesentlichen das gesamte Kühlmittel wird an einem Umströmen des Plattformkühleinsatzes 130 gehindert).
Wie veranschaulicht, ist die Hochdruck-Plenumkammer 145 über die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 mit einem stromaufwärtigen Abschnitt des inneren Kühlkanals 116 verbunden, während die Niederdruck-Plenumkammer 146 über die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 mit einem stromabwärtigen Abschnitt des inneren Kühlkanals 116 verbunden ist. Auf diese Weise empfängt die Hochdruck-Plenumkammer 145 ein zugeführtes Kühlmittel, das anschließend durch die Einsatzkühlkanäle 138 zu der Niederdruck-Plenumkammer 146 gespeist wird. Die Niederdruck-Plenumkammer 146 stellt dann einen Sammler, in dem sich das Kühlmittel sammeln kann, sowie einen Auslass über die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 bereit, durch den das Kühlmittel aus dem Plattformschlitz 134 austreten kann. Dieser Auslass bringt, wie ausgeführt, das Kühlmittel zu dem inneren Kühlkanal 116 innerhalb der Turbinenlaufschaufel 100 zurück, was dem Kühlmittel ermöglicht, zur Kühlung anderer Bereiche der Turbinenlaufschaufel 100 oder in anderen stromabwärtigen Anwendungen verwendet zu werden.
10 zeigt einen alternativen Plattformkühleinsatz 130 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes. In diesem Fall kann der Plattformkühleinsatz 130 einen Hohlraum zwischen einem Einsatzboden und einer Einsatzdecke, die eben und parallel ausgebildet sind, definieren. Das heißt, der Einsatzboden und die Einsatzdecke liegen sich quer über einem Hohlraum, der eine relativ konstante Höhe oder einen konstanten radialen Abstand aufweist, im Wesentlichen gegenüber. Der Plattformkühleinsatz 130 kann ferner mehrere Stifte 151 enthalten, die sich in einer im Wesentlichen radialen Richtung zwischen dem Boden des Plattformkühleinsatz 130 und der Decke erstrecken. Es ist verständlich, dass zwischen den Stiften 151 Einsatzkühlkanäle 138 definiert sind. Die Stifte 151 können derart konstruiert sein, dass der Wärmeaustausch zwischen dem durch den Plattformkühleinsatz 130 strömenden Kühlmittel und dem Plattformkühleinsatz 130 verstärkt wird. Insbesondere können die Stifte 151 mit einem stark leitfähigen Material aufgebaut sein und einen vergrößerten Oberflächenbereich bereitstellen, über den Wärme mit dem Kühlmittel ausgetauscht werden kann. Außerdem können die Stifte 151 eine turbulente Strömung durch den Plattformkühleinsatz 130 erzeugen. Es wird erkannt, dass eine turbulente, nicht laminare Strömung einen größeren Wärmetransfer zwischen dem Kühlmittel und den Oberflächen des Plattformkühleinsatzes 130 hervorbringt. Die verschiedenen Pfeile, die in der 10 vorgesehen sind, zeigen, wie ein Kühlmittel durch die vorliegende Kühlkonfiguration strömen kann. Wie veranschaulicht, kann das Kühlmittel von einem stromaufwärtigen Abschnitt des inneren Kühlkanals 116 zu der Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148, zu der Hochdruck-Plenumkammer 145, durch die Einsatzkühlkanäle 138 zu der Niederdruck-Plenumkammer 146, zu der Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 strömen und schließlich zu dem inneren Kühlkanal 116 an einem stromabwärtigen Abschnitt von diesem zurückgeführt werden. In anderen Aspekten kann der Plattformkühleinsatz 130 ähnlich wie die anderen beispielhaften Ausführungsformen, die hierin erläutert sind, konfiguriert sein und funktionieren.
11 zeigt einen alternativen Plattformkühleinsatz 130 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes. In diesem Fall enthält der Plattformkühleinsatz 130 ein poröses Material 155, dessen Poren die Kühlkanäle durch den Plattformkühleinsatz 130 hindurch bereitstellen. In bevorzugten Ausführungsformen weist das poröse Material 155 eines der folgenden Materialien auf: dichtes Metallgewebe, metallischen Schwamm, Verbundmaterialien und Keramik. Andere herkömmliche Materialien, die ähnliche Poren enthalten und die in der Lage sind, der rauen Umgebung einer Verbrennungsturbine passend zu widerstehen, können ebenfalls verwendet werden. Das poröse Material 155 kann zwischen der Decke und dem Boden des Plattformschlitzes 134 eingefügt sein, oder in anderen Ausführungsformen kann das poröse Material 155 zwischen einer dünnen Decke und einem dünnen Boden des Plattformkühleinsatz 130 selbst eingefügt sein. Wie zuvor, können Plenumkammern ausgebildet sein, die das Zuführen/Sammeln des Kühlmittels zu/von den vielen Poren unterstützen und die entlang des Randes des Plattformkühleinsatzes 130 angeordnet sind. Eine äußere Seitenwand 136 kann an der Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 angelötet sein, so dass der Plattformschlitz 134 dichtend verschlossen ist. Auf diese Weise sind das poröse Mittel und das Kühlmittel in dem Plattformschlitz 134 enthalten, und ein Kühlmittelleckstrom kann verhindert, wesentlich reduziert oder dosiert werden. Wie zuvor, kann das Kühlmittel aus dem stromaufwärtigen Abschnitt des inneren Kühlkanals 116 entnommen und über die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 sowie die Hochdruck-Plenumkammer 145 (falls sie vorhanden ist) in das poröse Material 155 eingeleitet werden. Anschließend kann das aus der anderen Seite des porösen Materials 155 austretende Kühlmittel über die Niederdruck-Plenumkammer 146 und die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 zurück in den inneren Kühlkanal 116 geleitet werden. Es wird erkannt, dass aufgrund der großen Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit, die in vielen porösen Medien typisch ist, sowie der Art und Weise, in der Wärmeaustausch in porösen Materialien stattfindet - d.h. durch Konvektion, Konduktion und Wärmestrahlung - poröse Materialien in den Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, um die Wärmeübertragungsleistung stark zu verbessern.
11 veranschaulicht einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. In einigen bevorzugten Ausführungsformen können eine oder mehrere Kühlöffnungen 156 vorgesehen sein. Die Kühlöffnungen 156 können, wie veranschaulicht, Kanäle enthalten, die während des Betriebs einen gewünschten Anteil des Kühlmittels ausgeben, das durch die Auslässe strömt, die durch die druckseitige Schlitzseitenwand 126 (oder, nicht veranschaulicht, die Plattformoberseite 113 oder die Unterseite 114 der Plattform 110) hindurchführend ausgebildet sind. Die Kühlöffnungen 156 können schmal sein, so dass das ausgegebene Kühlmittel gegen die Schlitzseitenwand der benachbarten Turbinenlaufschaufel 100 mit hoher Geschwindigkeit gerichtet wird und aufprallt, was allgemein dessen Kühleffektivität steigert. Es wird erkannt, dass der Schlitzseitenwandhohlraum und die Schlitzseitenwände, die diesen definieren, schwer zu kühlende Regionen der Plattform 110 darstellen und dass die Schlitzseitenwand-Kühlöffnungen 156 eine effektive Möglichkeit bieten können, um dies zu bewerkstelligen. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, versteht es sich, dass die Kühlöffnungen 156 in den Ausführungsformen gemäß den 7 und 10 verwendet werden können sowie sie konfiguriert sein können, um mit einem oder mehreren der Einsatzkühlkanäle 138 oder allgemeiner dem Plattformschlitz 134 verbunden zu sein. In anderen Aspekten kann der Plattformkühleinsatz 130 nach 11 ähnlich wie die anderen hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen konfiguriert sein und funktionieren.
12 veranschaulicht ein als solches nicht beanspruchtes Verfahren zur effizienten Erzeugung effektiver innerer Kühlkanäle innerhalb der Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln auf eine kostengünstige Weise. Bezugnehmend auf das Flussdiagramm 200 nach 12 kann, als ein Anfangsschritt 202, der Plattformschritt 134 in der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 der Plattform 110 erzeugt werden. Aufgrund der relativ unkomplizierten Gestalt des Plattformschlitzes 134 kann dieser kostengünstig mit herkömmlichen maschinellen Bearbeitungs- oder vereinfachten Gießprozessen geschaffen werden. Somit können, obwohl die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden kann, eine Anordnung von komplexen Kühlkanälen zu erzeugen, die eine weite Abdeckung der Plattformregion ermöglichen, teure Gießprozesse, die gewöhnlich für derartige komplexe Konstruktionen verwendet werden, vermieden werden. Sobald der Plattformschlitz 134 erzeugt ist, können in einem Schritt 204 die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 und die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 mit einem herkömmlichen, relativ unkomplizierten maschinellen Bearbeitungsprozess erzeugt werden. Insbesondere können die Verbindungseinrichtungen bei dem gegebenen Zugang, der durch die Erzeugung des Plattformschlitzes 134 geschaffen ist, mittels eines herkömmlichen maschinellen Herstellungsprozesses oder Bohrprozesses mit Sichtverbindung erzeugt werden.
Gesondert kann in einem Schritt 206 ein Plattformkühleinsatz 130 erzeugt werden, dessen Größe in gewünschter Weise entsprechend der Größe des Plattformschlitzes 134 geschaffen werden kann. Als ein Teil dieses Schrittes können die Einsatzkühlkanäle 138 innerhalb des Plattformkühleinsatzes 130 ausgebildet werden. Diese können unter Verwendung eines maschinellen Bearbeitungsprozesses, vereinfachter Gießprozesse oder einer Kombination von beiden geschaffen werden. Es wird erkannt, dass die Herstellung der Einsatzkühlkanäle 138 in einer gesonderten Einsatzkomponente die Komplexität und Kosten gegenüber der Alternative der Erzeugung der gleichen Einsatzkühlkanäle 138 als eine integrale Komponente der Turbinenlaufschaufel 100 deutlich reduziert. Schließlich kann der Plattformkühleinsatz 130 danach, in einem Schritt 208, innerhalb des Plattformschlitzes 134 unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, beispielsweise über mechanischen Eingriff, Schweißen, Löten, etc, eingebaut werden.
Im Betrieb kann die Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt funktionieren. Ein Teil des zugeführten Kühlmittels, das durch den inneren Kühlkanal 116 strömt, tritt durch die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 in die Hochdruck-Plenumkammer 145 ein. Die Hochdruck-Plenumkammer 145 bietet im Wesentlichen eine Kammer, durch die mehrere Einsatzkühlkanäle 138 mit einem Kühlmittel versorgt werden können. Auf diese Weise kann ein einziger Verteiler (d.h. die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148) in effektiver Weise eine Anzahl kleinerer Kühlkanäle (d.h. die mehreren Einsatzkühlkanäle 138) versorgen. Das Kühlmittel kann anschließend durch die Einsatzkühlkanäle 138 hindurchtreten und sich in der Niederdruck-Plenumkammer 146 ansammeln. Die Niederdruck-Plenumkammer 146 bietet im Wesentlichen eine Kammer, in der ein Kühlmittel aus mehreren Einsatzkühlkanälen 138 gesammelt und in einen einzigen Auslass (d.h. die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149) gespeist werden kann. Während es durch die Einsatzkühlkanäle 138 strömt, kann das Kühlmittel durch Konvektion Wärme von dem Plattformkühleinsatz 130 abführen, und der Plattformkühleinsatz 130 kann wiederum durch Konduktion Wärme von der umgebenden Plattform 110 ableiten und dadurch diese kühlen.
Auf diese Weise entnimmt die Plattformkühleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Teil des Kühlmittels aus dem inneren Kühlkanal 116, nutzt das Kühlmittel, um Wärme aus der Plattform 110 abzuführen, und führt das Kühlmittel anschließend zu dem inneren Kühlkanal 116 zurück, wo das Kühlmittel für weitere Zwecke genutzt werden kann. Die vorliegende Erfindung ergibt einen Mechanismus zur aktiven Kühlung der Plattformregion einer Laufschaufel einer Verbrennungsturbine. Wie ausgeführt, lässt sich dieser Bereich gewöhnlich schwer kühlen, und er stellt bei den gegebenen mechanischen Belastungen dieses Bereichs eine Stelle dar, die stark leidet, wenn die Feuerungstemperaturen erhöht werden. Demgemäß stellt diese Art der aktiven Plattformkühlung eine wesentliche umsetzbare Technologie dar, wenn höhere Feuerungstemperaturen, erhöhte Leistungsabgabe und ein größerer Wirkungsgrad angestrebt werden.
Ferner ist es verständlich, dass der lösbare Plattformkühleinsatz 130 gemäß der vorliegenden Anmeldung eine größere Flexibilität bei der Umgestaltung, Neukonfiguration und/oder Nachrüstung von Plattformkühleinrichtungen in existierenden Schaufeln bieten kann. Z.B. ermöglicht der Plattformkühleinsatz 130 dem durch die Plattform 110 führenden Kühlkreislauf, auf eine kostengünstige und komfortable Weise ersetzt zu werden, falls sich die Betriebsbedingungen verändern oder eine stärkere Kühlung durch die Plattformregion erforderlich ist. Außerdem ist die austauschbare Struktur während der Testphase der Plattformkühleinrichtungen insofern besonders vorteilhaft, als alternative Konstruktionen getestet werden können, ohne dass die Notwendigkeit besteht, die ganzen Turbinenschaufeln zu schaffen, um verschiedene Alternativen zu testen. Die Einsatzstruktur ermöglicht ferner die vereinfachte Herstellung von Plattformkühlkanälen mit komplexen Geometrien. Während früher komplexe Geometrien notwendigerweise einen kostspieligen Gießprozess bedeuteten, lehrt die vorliegende Anmeldung Verfahren, durch die Kühlkanäle mit komplexem Aufbau durch vereinfachte maschinelle Bearbeitungs- und/oder Gießprozesse erzeugt werden können. Schließlich lehrt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren, durch das die Plattform 110 unter Verwendung innerer Kanäle gekühlt werden kann, die von der Plattform 110 selbst nicht unmittelbar in den Heißgaspfad entlüften. Wie ausgeführt, erhöht diese „Rezyklierung“ des Kühlmittels allgemein die Effizienz seiner Nutzung, was den Wirkungsgrad der Maschine steigert.
Wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, können die vielen variierenden Merkmale und Konfigurationen, wie sie vorstehend in Bezug auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben sind, ferner wahlweise angewandt werden, um weitere mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Der Kürze wegen und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Fachmanns auf dem Gebiet sind nicht alle möglichen Ausführungsformen bereitgestellt oder im Einzelnen erläutert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die durch die verschiedenen nachstehenden Ansprüche oder in sonstiger Weise umfasst sind, einen Teil der vorliegenden Anmeldung darstellen sollen. Außerdem werden Fachleute auf dem Gebiet anhand der vorstehenden Beschreibung verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen erkennen. Derartige Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb der Fachkenntnisse sollen durch die beigefügten Ansprüche umfasst sein. Ferner sollte erkannt werden, dass das Vorstehende lediglich die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung anbetrifft und dass daran zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Wesen und Umfang des Anmeldegegenstandes, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, und dessen äquivalenten Formen abgewichen wird.
Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel, die eine Plattform an einer Schnittstelle zwischen einem Schaufelblatt und einem Fuß aufweist, wobei das Schaufelblatt und der Fuß einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal enthalten, wobei im Betrieb der innere Kühlkanal wenigstens einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich aufweist, wobei die Plattformkühleinrichtung enthält: einen Plattformschlitz, der sich in Umfangsrichtung von einer Mundöffnung aus erstreckt, die durch die druckseitige Schlitzseitenwand hindurch ausgebildet ist; eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung, die den Plattformschlitz mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet; eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung, die den Plattformschlitz mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet; und einen Plattformkühleinsatz, der lösbar in dem Plattformschlitz eingesetzt ist, wobei der Plattformkühleinsatz einen oder mehrere Einsatzkühlkanäle aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Turbinenlaufschaufel
102: Schaufelblatt
104: Fuß
105: Saugfläche
106: Druckfläche
107: Vorderkante
108: Hinterkante
109: Schwalbenschwanz
110: Plattform
112: Schaft
113: Plattformoberseite
114: Plattformunterseite
116: Kühlkanal
117: Einlass
119: Hohlraum
120: Plattformkühlkanäle
121: hintere Kante
122: saugseitige Schlitzseitenwand
124: vordere Kante
126: druckseitige Schlitzseitenwand
130: Plattformkühleinsatz
134: Plattformschlitz
136: äußere Seitenwand
138: Einsatzkühlkanäle
145: Hochdruck-Plenumkammer
146: Niederdruck-Plenumkammer
148: Hochdruck-Verbindungseinrichtung
149: Niederdruck-Verbindungseinrichtung
151: Stifte
155: poröses Material
156: Kühlöffnungen

Claims

Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel (100), die eine Plattform (110) an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt (102) und einem Fuß (104) aufweist, wobei die Turbinenlaufschaufel (100) einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal (116) enthält, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuß (104) wenigstens bis ungefähr zu der radialen Höhe der Plattform (110) erstreckt, wobei im Betrieb der innere Kühlkanal (116) einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich aufweist, entlang einer Seite, die mit einer Druckseite des Schaufelblattes (102) zusammenfällt, eine Druckseite der Plattform (110) eine Plattformoberseite (113) aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt (102) bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand (126) erstreckt, und entlang einer Seite, die mit einer Saugseite des Schaufelblattes (102) zusammenfällt, eine Saugseite der Plattform (110) eine Plattformoberseite (113) aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt (102) bis zu einer saugseitigen Schlitzseitenwand (122) erstreckt, wobei die Plattformkühleinrichtung aufweist: einen Plattformschlitz (134), der sich in Umfangsrichtung von einer Mundöffnung erstreckt, die durch die druckseitige Schlitzseitenwand (126) hindurchführend ausgebildet ist; eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148), die den Plattformschlitz (134) mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet; eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149), die den Plattformschlitz (134) mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet; und einen Plattformkühleinsatz (130), der in dem Plattformschlitz (134) lösbar eingesetzt ist, wobei der Plattformkühleinsatz (130) einen oder mehrere Einsatzkühlkanäle (138) aufweist.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Plattform (110) die ebene Plattformoberseite (113) aufweist, die ungefähr parallel zu einer ebenen Plattformunterseite (114) verläuft; und der eine oder die mehreren Einsatzkühlkanäle (138) konfiguriert sind, um ein Kühlmittel während des Betriebs quer durch den Plattformschlitz (134) von der Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148) zu der Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149) zu leiten; die Stelle, an der die Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148) mit dem Plattformschlitz (134) verbunden ist, der Stelle, an der die Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149) mit dem Plattformschlitz (134) verbunden ist, über wenigstens einen beträchtlichen Teil des Plattformschlitzes (134) gegenüberliegt; und der eine oder die mehreren Einsatzkühlkanäle (138) eine Wärmeübertragungsstruktur aufweisen, die im Betrieb den Wärmetransfer zwischen dem Kühlmittel und dem Plattformkühleinsatz (130), wenn die Kühlmittelströmung durch diesen hindurchtritt, fördert.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Plattformkühleinsatz (130) und der Plattformschlitz (134) derart konfiguriert sind, dass: nach Einbau eine Hochdruck-Plenumkammer (145) zwischen einem ersten Bereich einer Außenwand des Plattformkühleinsatzes (130) und einem ersten Bereich einer Innenwand des Plattformschlitzes (134) ausgebildet ist; eine Niederdruck-Plenumkammer (146) zwischen einem zweiten Bereich der Außenwand des Plattformkühleinsatzes (130) und einem zweiten Bereich der Innenwand des Plattformschlitzes (134) ausgebildet ist, wobei die Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148) mit dem Plattformschlitz (134) an einer Stelle innerhalb der Hochdruck-Plenumkammer (145) verbunden ist; und wobei die Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149) mit dem Plattformschlitz (134) an einer Stelle innerhalb der Niederdruck-Plenumkammer (146) verbunden ist; und wobei sich der eine oder die mehreren Einsatzkühlkanäle (138) zwischen dem ersten Bereich der Außenwand des Plattformkühleinsatzes (130) und dem zweiten Bereich der Außenwand des Plattformkühleinsatzes (130) erstrecken.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 3, wobei der Plattformschlitz (134) eine Rückwand aufweist, die der Mundöffnung im Wesentlichen gegenüberliegt, wobei die Rückwand von einer vorderen Position in der Nähe der Vorderkante der Mundöffnung bis zu einer hinteren Position in der Nähe der Hinterkante der Mundöffnung bogenförmig verläuft; und wobei das Profil des Bogens hinsichtlich der Gestalt und ungefähren Position dem Profil einer Druckfläche (106) des Schaufelblattes (102), wo die Druckfläche (106) des Schaufelblattes (102) die Plattform (110) schneidet, entspricht.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Hochdruck-Plenumkammer (145) sich an einem vorderen Abschnitt der Rückwand befindet, gerade innerhalb der Mundöffnung beginnt und sich entlang der Rückwand bis zu einer Position knapp vor einem axialen Mittelpunkt der Rückwand erstreckt; und wobei sich die Niederdruck-Plenumkammer (146) entlang eines hinteren Abschnitts der Rückwand befindet, gerade innerhalb der Mundöffnung beginnt und sich entlang der Rückwand bis zu einer Position knapp hinter dem axialen Mittelpunkt der Rückwand erstreckt.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Plattformkühleinsatz (130) eine äußere Seitenwand (136) aufweist, die nach Einbau die Mundöffnung des Plattformschlitzes (134) im Wesentlichen versperrt; wobei nach Einbau die äußere Seitenwand (136) im Verhältnis zu der druckseitigen Schlitzseitenwand (126) bündig angeordnet ist; wobei mehrere Kühlöffnungen (156), die mit dem einen oder den mehreren Einsatzkühlkanälen (138) verbunden sind, durch die äußere Seitenwand (136) hindurchführend ausgebildet sind, wobei die Kühlöffnungen (156) konfiguriert sind, um einen Teil des durch den Plattformkühleinsatz (130) strömenden Kühlmittels in einen Schlitzseitenwandhohlraum zu leiten, der zwischen benachbarten Turbinenlaufschaufeln (100) ausgebildet ist; und wobei die Kühlöffnungen (156) konfiguriert sind, um einen vorbestimmten Durchflussbereich zu haben, wobei der vorbestimmte Durchflussbereich einer gewünschten Kühlmittelaufprallcharakteristik entspricht.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei eine äußere Seitenwand (136) eine Dichtung aufweist, die im Betrieb ein Kühlmittel daran hindert, aus dem Plattformschlitz (134) durch die Mundöffnung auszutreten; und wobei der Plattformschlitz (134) und der eine oder die mehreren Einsatzkühlkanäle (138) derart konfiguriert sind, dass im Plattformkühleinsatz (130) im Wesentlichen das gesamte Kühlmittel, das durch den Plattformschlitz (134) strömt, zu dem inneren Kühlkanal (116) zurückgeführt wird.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wärmeübertragungsstruktur mehrere parallele Kühlkanäle aufweist, die eingerichtet sind, um den Plattformschlitz (134) von der Hochdruck-Plenumkammer (145) zu der Niederdruck-Plenumkammer (146) zu durchqueren.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 3, wobei der Plattformschlitz (134) eine ebene Decke und einen ebenen Boden aufweist, die bei im Wesentlichen konstanter radialer Höhe zueinander verlaufen und derart orientiert sind, dass sie jeweils im Wesentlichen parallel zu der Plattform (110) verlaufen; wobei der Plattformkühleinsatz (130) eine im Wesentlichen konstante radiale Höhe aufweist; und wobei die konstante radiale Höhe des Plattformkühleinsatzes (130) nur etwas kleiner ist als die konstante radiale Höhe des Plattformschlitzes (134), so dass nach Einbau der Plattformkühleinsatz (130) passgenau in dem Plattformschlitz (134) eingesetzt ist.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Plattformkühleinsatz (130) einen Hohlraum enthält, der zwischen einem ebenen Einsatzboden und einer ebenen Einsatzdecke definiert ist; wobei sich mehrere Stifte (151) von dem Einsatzboden zu der Einsatzdecke erstrecken; und wobei der eine oder die mehreren Einsatzkühlkanäle (138) Kanäle aufweisen, die zwischen den mehreren Stiften (151) ausgebildet sind.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Plattformkühleinsatz (130) ein poröses Material (155) aufweist, das derart positioniert ist, dass in dem Plattformkühleinsatz (130) wenigstens ein Anteil des Kühlmittels, das von der Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148) zu der Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149) strömt, das poröse Material (155) passiert; und wobei die Poren des porösen Materials (155) den einen oder die mehreren Einsatzkühlkanäle (138) bilden.
Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei der eine oder die mehreren Einsatzkühlkanäle (138) einen serpentinenförmigen Kühlkanal aufweisen, der einen gewundenen Verlauf zwischen der Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148) und der Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149) definiert.