DE102011053891A1

DE102011053891A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung von Plattformabschnitten von Turbinenrotorschaufeln

Info

Publication number: DE102011053891A1
Application number: DE102011053891A
Authority: DE
Inventors: Scott Edmond Ellis; Adrian Lional Scott; John Wesley Harris Jr.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2031-09-24
Also published as: CH703875A2; CH703875B1; US8840369B2; JP5898900B2; CN102444432B; DE102011053891B4; CN102444432A; JP2012077747A; US20120082548A1

Abstract

In einer Turbinenrotorschaufel (100) umfasst eine Plattformkühleinrichtung (130) eine Plattform (110), wobei die Rotorschaufel (100) einen inneren Kühlkanal (116) aufweist und wobei im Betrieb der innere Kühlkanal (116) ein Hochdruckkühlmittelabschnitt und ein Niederdruckkühlmittelabschnitt aufweist und wobei die Plattform (110) eine Plattformunterseite (114) aufweist. Die Plattformkühlanordnung (130) kann aufweisen: eine erste Platte (132), die innerbords und in beabstandeter Beziehung zu der Plattformunterseite (114) angeordnet ist und ein erstes Volumen (133) ausbildet; eine zweite Platte (138), die innerbords und in beabstandeter Beziehung zu der ersten Platte (132) angeordnet ist, wobei die zweite Platte (138) ein zweites Volumen (139) bildet. Das zweite Volumen (139) beinhaltet einen Einlasskanal (141), der mit dem Hochdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals (116) verbunden ist und das zweite Volumen (133) enthält einen Auslasskanal (142), der es mit dem Niederdruckkühlabschnitt des inneren Kühlkanals (116) verbindet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind allgemein Gasturbinen, was, sofern hier nicht ausdrücklich anderweitig spezifiziert, alle Arten von Gasturbinen einschließt, wie beispielsweise solche die zur Energieerzeugung eingesetzt werden, wie auch solche von Luftfahrzeugen. Ohne darauf beschränkt zu sein, bezieht sich die vorliegende Beschreibung spezieller auf Einrichtungen, Systeme und/oder Verfahren zur Kühlung des Plattformabschnitts von Turbinenrotorschaufeln.
Eine Gasturbine umfasst typischerweise einen Verdichter, einen Brenner und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine enthalten allgemein Reihen von Schaufeln oder Blättern, die axial in Stufen hintereinander angeordnet sind. Jede Stufe umfasst typischerweise eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Rotorschaufeln, die fest angeordnet sind, sowie einen Satz von in Umfangsrichtung beabstandeten Rotorschaufeln, die um eine zentrale Achse oder Welle drehen. In Betrieb werden die Rotorschaufeln des Verdichters um die Welle gedreht, um einen Luftstrom zu verdichten. Die verdichtete Luft wird dann in dem Brenner zur Verbrennung von zugeleitetem Kraftstoff genutzt. Der aus dem Verbrennungsprozess resultierende Heißgasstrom wird dann im Durchgang durch die Turbine expandiert, wodurch die Rotorschaufeln die Welle drehen, an der sie befestigt sind. Auf diese Weise wird die im Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der drehenden Welle umgesetzt, die dann beispielsweise zum Antrieb von Generatorspulen genutzt werden kann, um Strom zu erzeugen.
Es sei auf die 1 und 2 verwiesen; die Rotorschaufeln 100 der Turbine weisen allgemein einen Blattabschnitt oder Blatt 102 und einen Fußabschnitt oder Fuß 104 auf. Das Blatt 102 hat eine konvexe Saugfläche 105 und eine konkave Druckfläche 106. Das Blatt 102 weist außerdem eine Anströmkante 107, die die Vorderkante ist und eine Abströmkante 108 auf, die die Hinterkante ist. Der Fuß 104 hat eine Struktur (die, wie dargestellt, typischerweise einen Schwalbenschwanz 109 enthält) zur Befestigung des Blatts 100 an der Rotorwelle, eine Plattform 110, von der sich das Blatt 102 weg erstreckt, sowie einen Schaft 112, der die Struktur zwischen dem Schwalbenschwanz 109 und der Plattform 110 umfasst.
Wie dargestellt, kann die Plattform 110 im Wesentlichen eben ausgebildet sein. Im Einzelnen kann die Plattform 110 eine ebene Oberseite 113 aufweisen, die wie in 1 veranschaulicht, eine sich in Axial- und Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche aufweist. Wie in 2 veranschaulicht, kann die Plattform 110 eine ebene Unterseite 114 aufweisen, die ebenfalls eine sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung erstreckende flache Fläche aufweist. Die Oberseite 113 und die Unterseite 114 der Plattform 110 können so ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Wie veranschaulicht ist ersichtlich, dass die Plattform 110 typischerweise ein dünnes radiales Profil aufweist, d. h. dass ein relativ geringer radialer Abstand zwischen der Oberseite 113 und der Unterseite 114 der Plattform 110 vorhanden ist.
Allgemein wird die Plattform 110 an einer Turbinenrotorschaufel 100 dazu genutzt, die innere Strömungsweggrenze des Heißgaspfadabschnitts der Gasturbine zu bilden. Die Plattform 110 erbringt außerdem die strukturelle Unterstützung des Blatts 102. Im Betrieb verursacht die Drehgeschwindigkeit der Turbine eine mechanische Belastung, die entlang der Plattform 110 hochbelastete Bereiche erzeugt, so dass in Verbindung mit hohen Temperaturen schlussendlich betriebsbedingte Defekte entstehen können, wie beispielsweise Oxidation, Kriechen, Ermüdungsbrüche bei niedriger Lastspielzahl und dergleichen. Diese Defekte schlagen sich selbstverständlich negativ auf die Nutzdauer der Rotorschaufel 100 nieder. Es ist ersichtlich, dass diese harten Betriebsbedingungen, d. h. die Exposition gegenüber hohen Temperaturen des Heißgaspfads und auf die rotierenden Schaufeln einwirkende mechanische Belastung eine beträchtliche Herausforderung bei der Gestaltung dauerhafter, langlebiger Rotorschaufelplattformen 110 verursacht, die sich sowohl gut verhalten, als auch kosteneffizient herzustellen sind.
Eine verbreitete Lösung den Plattformbereich 110 dauerhafter auszugestalten ist, ihn während des Betriebs mit einem Strom komprimierter Luft oder eines anderen Kühlmittels zu kühlen, wobei eine Vielzahl derartiger Gestaltungen bekannt ist. Jedoch wird der Fachmann verstehen, dass der Plattformbereich 110 eine gewisse Herausforderung hinsichtlich der Gestaltung darstellt, die es schwer macht ihn auf diese Weise zu kühlen. Zum großen Teil liegt dies an der umständlichen Geometrie dieses Bereichs, was daran liegt, dass die Plattform 110 wie beschrieben eine Peripheriekomponente ist, die von dem zentralen Kern der Rotorschaufel entfernt angeordnet und typischerweise darauf eingerichtet ist, eine strukturell gesunde, jedoch radial geringe Dicke zu haben.
Zur Zuleitung des Kühlmittels weist die Rotorschaufel 100 typischerweise einen oder mehrere Kühlkanäle 116 (siehe 3, 4 und 5) auf, die sich mindestens durch den Kern der Schaufel 100 einschließlich des Fußes 104 und des Blatts 102 radial erstrecken. Wie nachstehen detaillierter beschrieben, können solche Kühlkanäle 116 zur Erhöhung des Wärmeaustauschs in Form von Serpentinen ausgebildet sein, die sich durch die Zentralabschnitte der Schaufel 100 winden, wobei auch andere Gestaltungen möglich sind. Während des Betriebs kann ein Kühlmittel über ein oder mehrere Einlässe 117, die in dem Einlassabschnitt des Fußes 104 ausgebildet sind, in die zentralen Kühlkanäle einströmen. Das Kühlmittel kann durch die Schaufel 100 zirkulieren und durch (nicht veranschaulichte) Auslässe austreten, die an dem Blatt ausgebildet sind und/oder durch einen oder mehrere Auslässe (nicht dargestellt), die in dem Fuß 104 ausgebildet sind. Das Kühlmittel kann unter Druck stehen und beispielsweise Druckluft, mit Wasser vermischte Druckluft, Dampf oder Ähnliches sein. In vielen Fällen ist das Kühlmittel Druckluft, die aus dem Verdichter der Gasturbine abgezapft worden ist, wobei auch andere Quellen möglich sind. Wie nachstehend detaillierter beschrieben, umfassen die Kühlkanäle typischerweise einen Hochdruckkühlbereich und einen Niederdruckkühlbereich. Der Hochdruckkühlbereich entspricht typischerweise einem stromaufwärtigen Abschnitt des Kühlkanals, der einen höheren Kühlmitteldruck aufweist, wohingegen der Niederdruckkühlbereich einem stromabwärtigen Abschnitt entspricht, in dem ein vergleichsweise niedrigerer Kühlmitteldruck herrscht.
In einigen Fällen kann das Kühlmittel aus den Kühlkanälen 116 in einen Hohlraum 119 geleitet werden, der zwischen den Schäften 112 und Plattformen 110 benachbarter Rotorschaufeln 100 ausgebildet ist. Von dort aus kann das Kühlmittel genutzt werden, um den Plattformbereich 110 der Schaufel zu kühlen, von der in 3 eine konventionelle Gestaltung veranschaulicht ist. Bei dieser Bauart wird typischerweise Luft aus einem der Kühlkanäle 116 entnommen und die Luft wird genutzt, um den zwischen den Schäften 112 bzw. Plattformen 110 gebildeten Hohlraum 119 unter Druck zu setzen. Einmal unter Druck gesetzt liefert der Hohlraum 119 dann Kühlmittel an Kühlkanäle, die sich durch die Plattformen 110 erstrecken. Nach Durchquerung der Plattform 110 kann die Kühlluft den Hohlraum durch Filmkühlungslöcher verlassen, die in der Oberseite 113 der Plattform 110 ausgebildet sind.
Es versteht sich jedoch, dass diese Art herkömmlicher Bauart verschiedene Nachteile hat. Zunächst ist der Kühlkreis nicht vollständig in einem Teil ausgebildet, denn der Kühlkreis wird lediglich ausgebildet, nachdem zwei benachbarte Rotorschaufeln 100 zusammengebaut sind. Dies führt zu hohen Ansprüchen und Komplexität hinsichtlich der Installation und Strömungstests vor der Installation. Ein zweiter Nachteil liegt darin, dass die Integrität des zwischen benachbarten Rotorschaufeln 100 ausgebildeten Hohlraums 119 davon abhängt, wie gut der Umfang des Hohlraums 119 abgedichtet ist. Eine schlechte Abdichtung kann eine nicht ausreichende Plattformkühlung und/oder die Kühlluftverlust bedeuten. Ein dritter Nachteil liegt in dem inhärenten Risiko, dass Heißgaspfadgase in den Hohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst eingesaugt werden. Dies kann geschehen, wenn der Hohlraum 119 während des Betriebs nicht bei ausreichend hohem Druck gehalten wird. Wenn der Druck in dem Hohlraum 119 unter den im Heißgaspfad herrschenden Druck fällt, gelangen Heißgase in den Schafthohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst, was typischerweise diese Komponenten beschädigt, denn sie sind nicht dafür bemessen auf Dauer den Bedingungen in dem Heißgaspfad ausgesetzt zu werden.
Die 4 und 5 veranschaulichen eine andere Art einer herkömmlichen Gestaltung zur Plattformkühlung. In diesem Fall ist der Kühlkreis in der Rotorschaufel 100 enthalten und umfasst wie dargestellt, keinen Schafthohlraum 119. Aus einem der Kühlkanäle 116 der sich durch den Kern des Blatts 110 erstreckt, wird Kühlluft entnommen und durch Kühlkanäle 120, die in der Plattform 110 ausgebildet sind (d. h. „Plattformkühlkanäle 120”) nach rückwärts gerichtet. Wie durch verschiedene Pfeile angedeutet ist, strömt die Kühlluft durch die Plattformkühlkanäle 120 und tritt durch Auslässe in der Hinterkante 121 der Plattform 110 oder aus Auslässen aus, die entlang der saugseitigen Kante 122 ausgebildet sind. (Es wird angemerkt, dass bei der Beschreibung oder Bezugnahme auf Kanten oder Flächen der rechteckigen Plattform 110 jede auf Grundlage ihrer Anordnung in Bezug auf die Saugfläche 105 oder Druckfläche 106 des Blatts 102 und/oder die vorwärtige und rückwärtige Richtung der Gasturbine beschrieben werden kann, sobald die Schaufel 100 installiert ist. Insoweit kann die Plattform, wie der Fachmann erkennt, eine Hinterkante 121, eine Saugseitenkante 122, eine Vorderkante 124 und eine Druckseitenkante 126 aufweisen, wie in 3 und 4 angedeutet ist. Zusätzlich können die saugseitige Kante 122 und die druckseitige Kante 126 als „Stoßflächen” bezeichnet werden, wobei der Hohlraum, der zwischen ihnen ausgebildet ist sobald benachbarte Rotorschaufeln 100 installiert sind, als „Stoßhohlraum” bezeichnet werden kann.)
Es ist einsichtig, dass die herkömmlichen Strukturen der 4 und 5 gegenüber der Struktur nach 3 dahingehend einen Vorteil haben, dass sie nicht durch Abweichungen beim Zusammenbau oder Installationsbedingungen beeinträchtigt werden. Jedoch haben herkömmliche Gestaltungen dieser Art verschiedene Beschränkungen und Nachteile. Zunächst ist, wie dargestellt, an jeder Seite des Blatts 102 nur ein einziger Kreislauf vorgesehen und somit ergibt sich der Nachteil der beschränkten Kontrolle der an verschiedenen Stellen der Plattform 110 genutzten Kühlluftmenge. Zweitens haben konventionelle Gestaltungen dieser Art einen Abdeckbereich, der generell beschränkt ist. Während der serpentinenartig gewundene Pfad nach 5 eine Verbesserung im Hinblick auf die Abdeckung gegenüber 4 darstellt, existieren immer noch Totbereiche in der Plattform 110, die ungekühlt bleiben. Drittens erhöhen sich die Herstellkosten dramatisch, wenn, um eine bessere Abdeckung mit innerlich ausgebildeten Plattformkühlkanälen 120 zu erreichen, die Kühlkanäle insbesondere Formen haben, die zu ihrer Ausbildung einen Gießprozess erfordern. Viertens entlassen diese herkömmlichen Designs typischerweise Kühlmittel nach Nutzung und vor vollständiger Ausnutzung des Kühlmittels in den Heißgaspfad, was die Effizienz der Gasturbine negativ beeinflusst. Fünftens haben Gestaltungen dieser Art allgemein eine geringe Flexibilität. Dies bedeutet, dass die Kanäle 120 als integraler Bestandteil der Plattform 110 ausgebildet sind und wenig oder keine Möglichkeit lassen, ihre Funktion oder Konfiguration zu ändern, wenn die Betriebsbedingungen variieren. Außerdem sind diese Arten konventioneller Gestaltungen schwer zu reparieren oder instand zu setzen.
Im Ergebnis haben herkömmliche Plattformkühlstrukturen Nachteile in einem oder mehreren Bereichen. Es verbleibt ein Bedürfnis nach verbesserten Einrichtungen, Systemen und Verfahren zur effektiven und effizienten Kühlung des Plattformbereichs von Turbinenrotorschaufeln, die kosteneffizient herzustellen und flexibel in der Anwendung sowie dauerhaft sein sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit eine Plattformkühlanordnung in einer Turbinenrotorschaufel mit einer Plattform an einer Stelle zwischen einem Schaufelblatt und einem Fuß, wobei die Rotorschaufel einen in ihr ausgebildeten Kühlkanal aufweist, der sich von einem Anschluss einer Kühlmittelquelle an dem Fuß zur wenigstens ungefähr der radialen Position der Plattform erstreckt, wobei der Kühlkanal in Betrieb einen Hochdruckkühlmittelbereich und einen Niederdruckkühlmittelbereich aufweist und wobei die Plattform entlang ihrer innen liegenden Fläche eine Plattformunterseite aufweist. Die Plattformkühlanordnung kann aufweisen: eine erste Platte, die innen und zu der Plattformunterseite beabstandet angeordnet ist, wobei die erste Platte so ausgebildet ist, dass zwischen der ersten Platte und der Plattformunterseite ein erstes Volumen ausgebildet ist; sowie eine zweite Platte, die innen und von der ersten Platte beabstandet angeordnet ist, wobei die zweite Platte so ausgebildet ist, dass zwischen der zweiten Platte und der ersten Platte ein zweites Volumen festgelegt ist. Das zweite Volumen kann einen ersten Einlasskanal aufweisen, der eine Verbindung zu dem Hochdruckkühlmittelbereich des inneren Kühlkanals herstellt. Das erste Volumen kann wenigstens einen Auslasskanal aufweisen, der eine Verbindung zu dem Niederdruckkühlmittelbereich des inneren Kühlkanals herstellt. Die erste Platte kann eine Anzahl von Prallöffnungen aufweisen.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt außerdem ein Verfahren zur Erzeugung einer Plattformkühlanordnung für eine Turbinenrotorschaufel mit einer Plattform an einer Verbindung zwischen einem Blatt und einem Fuß, wobei das Rotorblatt einen in ihm ausgebildeten inneren Kühlkanal aufweist, der sich von einer Verbindung zu einer Kühlmittelquelle an dem Fuß zu wenigstens ungefähr der radialen Höhe der Plattform erstreckt, wobei der innere Kühlkanal in Betrieb einen Hochdruckkühlmittelabschnitt und einen Niederdruckkühlmittelabschnitt aufweist, wobei die Plattform entlang ihrer Innenbordfläche eine Plattformunterseite aufweist. Das Verfahren kann die folgenden Schritte aufweisen: Anbringen einer ersten Platte an der Rotorschaufel, so dass die erste Platte innen ungefähr parallel und beabstandet zu der Plattformunterseite angeordnet ist, so dass zwischen der ersten Platte und der Plattformunterseite ein erstes Volumen gebildet ist; und Anbringen einer zweiten Platte an der ersten Platte, so dass die zweite Platte innen ungefähr parallel und beabstandet zu der ersten Platte angeordnet ist, so dass zwischen der zweiten Platte und der ersten Platte ein zweites Volumen ausgebildet ist. Die erste Platte kann eine Anzahl von Prallöffnungen aufweisen, wobei die Prallöffnungen enge Öffnungen sind, die sich so durch die Dicke der ersten Platte erstrecken, dass, wenn ein unter Druck stehender Kühlmittelstrom in das zweite Volumen geliefert wird, die Prallöffnungen das zweite Kühlmittel ausschießen und damit Kühlmittelstrahlen erzeugen, die gegen die Unterseite der Plattform gerichtet sind.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen und den nachfolgenden Ansprüchen gesehen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden durch sorgfältiges Studium der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genauer verständlich und gewürdigt, in denen:
1 eine Perspektivansicht einer exemplarischen Turbinenrotorschaufel veranschaulicht, bei der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können;
2 eine Ansicht einer Turbinenrotorschaufel von unten veranschaulicht, bei der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können;
3 eine Querschnittsansicht benachbarter Turbinenrotorschaufeln veranschaulicht, die ein Kühlsystem gemäß einem herkömmlichen Aufbau haben;
4 eine Draufsicht auf eine Turbinenrotorschaufel veranschaulicht, die eine Plattform mit internen Kühlkanälen gemäß einem konventionellen Aufbau aufweist;
5 eine Draufsicht auf eine Turbinenrotorschaufel veranschaulicht, die eine Plattform mit internen Kühlkanälen gemäß einem alternativen konventionellen Aufbau aufweist;
6 eine Querschnitts-Seitenansicht einer Plattformkühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht;
7 eine Perspektivansicht einer ersten Platte und einer zweiten Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine Querschnittsdraufsicht auf einer Plattformkühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung ist; und
9 ein Flussbild ist, das ein beispielhaftes Verfahren zur Erzeugung der Plattformkühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es versteht sich, dass Turbinenschaufeln, die durch die interne Zirkulation eines Kühlmittels gekühlt werden, typischerweise einen internen Kühlkanal 116 aufweisen, der sich von dem Fuß durch den Plattformbereich und in den Blattabschnitt radial nach außen erstreckt, wie oben in Bezug auf verschiedene herkömmliche Kühlstrukturen beschrieben ist. Es versteht sich, dass gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit herkömmlichen Kühlkanälen genutzt werden können, um eine effiziente aktive Plattformkühlung zu verbessern oder zu ermöglichen, wobei die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Aufbau diskutiert wird, nämlich: einem inneren Kühlkanal 116, der sich windet oder als Serpentine verläuft. Wie in den 6, 8 und 9 veranschaulicht, ist der Serpentinenweg typischerweise so ausgebildet, dass er einen in einer Richtung gerichteten Kühlmittelfluss gestattet und Strukturdetails enthält, die den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der umgebenden Rotorschaufel 100 fördert. Während des Betriebs kann ein unter Druck stehendes Kühlmittel, das typischerweise von einem Verdichter abgezapfte Druckluft ist (wobei bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch andere Typen von Kühlmittel, wie beispielsweise Dampf, genutzt werden können), durch eine durch den Fuß 104 führende Verbindung in das Innere des Kühlkanals 116 geleitet. Der Druck treibt das Kühlmittel durch den inneren Kühlkanal 116 und das Kühlmittel nimmt Wärme von den umgebenden Wänden auf.
Mit der Bewegung durch den Kühlkanal 116 verliert das Kühlmittel, wie leicht erkennbar ist, Druck, so dass das Kühlmittel in den stromaufwärtigen Abschnitten des internen Kühlkanals 116 einen höheren Druck aufweist als das Kühlmittel in stromabwärtigen Abschnitten. Wie detaillierter weiter unten diskutiert ist, kann diese Druckdifferenz dazu genutzt werden, das Kühlmittel über oder durch Kühlkanäle zu treiben, die in der Plattform ausgebildet sind. Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung bei Rotorschaufeln 100 genutzt werden kann, die interne Kühlkanäle unterschiedlicher Konfigurationen aufweisen, und nicht auf interne Kühlkanäle mit Serpentinenform beschränkt ist. Entsprechend umfasst der hier verwendete Begriff „innerer Kühlkanal” oder „Kühlkanal” jeden Durchgang oder Kanal, durch den Kühlmittel innerhalb der Rotorschaufel geleitet werden kann. Wie hier vorausgesetzt, erstreckt sich der interne Kühlkanal 160 der vorliegenden Erfindung wenigstens ungefähr bis zur radialen Position der Plattform 116 und kann wenigstens einen Abschnitt vergleichsweise höheren Kühlmitteldrucks umfassen (der nachfolgend als „Hochdruckabschnitt” bezeichnet wird, der in einigen Fällen ein stromaufwärtiger Abschnitt innerhalb eines Serpentinenkanals sein kann) sowie wenigstens einen Abschnitt vergleichsweise niedrigeren Kühlmitteldrucks (der nachfolgend als „Niederdruckabschnitt” bezeichnet wird und der relativ zu dem Hochdruckabschnitt innerhalb eines Serpentinenkanals ein stromabwärtiger Bereich sein kann).
Allgemein sind die verschiedenen Gestaltungen herkömmlicher interner Kühlkanäle 116 hinsichtlich der Erbringung einer aktiven Kühlung für bestimmte Bereiche innerhalb der Rotorschaufel 100 wirksam. Jedoch erweisen sich die Plattformbereiche, wie der Fachmann weiß, als schwieriger. Dies liegt wenigstens teilweise in der schwierigen Plattformgeometrie, d. h. ihrer geringen radialen Höhe und der Art, in der sie von dem Kern oder Hauptkörper der Rotorschaufel 100 weg steht. Angesichts der hohen Temperaturen, denen sie im Heißgaspfad ausgesetzt ist, und der hohen mechanischen Belastung sind die Kühlanforderungen der Plattform durchaus beträchtlich. Wie oben beschrieben, sind herkömmliche Plattformkühlgestaltungen ineffektiv, weil sie sich den speziellen Herausforderungen dieses Bereichs nicht stellen, sie sind hinsichtlich der Ausnutzung des Kühlmittels ineffizient und sie sind in der Herstellung kostenträchtig.
Es wird nochmals auf die 6 bis 9 verwiesen, die verschiedene Ansichten exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. 6 veranschaulicht eine Querschnitts-Seitenansicht einer Plattformkühlanordnung 130 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während 8 eine Querschnitts-Draufsicht derselben zeigt. 7 veranschaulicht eine Perspektivansicht einer ersten Platte 132 (die als „Außenplatte” oder „Prallplatte” bezeichnet werden kann) und einer zweiten Platte 138 (die als eine „Innenplatte” oder „Verschlussplatte” bezeichnet werden kann) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, kann eine Plattform 110 an der Verbindung zwischen dem Blatt 102 und dem Fuß 104 der Rotorschaufel 100 angeordnet sein.
Die Plattform 110 kann entlang einer Innenbordfläche der Plattform 110 eine Plattformunterseite 114 aufweisen. Wie die Oberseite 113 der Plattform kann die Unterseite 114 eine sich in Axial- und Umfangsrichtung erstreckende planare Fläche aufweisen. (Es sei angemerkt, dass „planar”, wie hier benutzt, ungefähr oder im Wesentlichen in Form einer Ebene bedeutet. Beispielsweise ist dem Fachmann klar, dass Plattformen eine Außenbordfläche haben können, die leicht gekrümmt oder konvex ist, wobei die Krümmung dem Umfang der Turbine und der radialen Position der Rotorschaufeln entspricht. In der hier genutzten Verwendung wird diese Art der Plattformform als planar angesehen, denn der Radius der Krümmung ist ausreichend groß, um der Plattform ein flaches Aussehen zu geben.) In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in der Plattformunterseite 114 eine flache Tasche 131 ausgebildet sein. Die flache Tasche 131 kann durch eine oder mehrere Herstellungsverfahren erzeugt werden, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, spannabhebende Bearbeitung, Gießen oder Ähnliches. Beispielsweise kann eine vorhandene Rotorschaufel so bearbeitet werden, dass eine entsprechende flache Tasche 131 ausgebildet wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die flache Tasche 131 an einem Bereich der Plattformunterseite 114 angeordnet werden, der im Wesentlichen mit der Druckseite des Blatts 102 der Schaufel übereinstimmt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die flache Tasche 131 dazu eingerichtet sein, wenigstens zwei übereinander gestapelte Platten aufzunehmen, um eine Plattformkühlanordnung zu bilden, wie sie hier beschrieben ist.
6 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Plattformkühlanordnung 130 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Plattformkühlanordnung 130 kann eine erste Prallplatte 132 aufweisen, die innerbordwärts in beabstandeter Beziehung zu der Plattformunterseite 114 angeordnet ist, so dass sie ein erstes Volumen 133 zwischen der Prallplatte 132 und der Plattformunterseite 114 bildet. Eine zweite oder Abschlussplatte 138 kann innerbordwärts beabstandet zu der Prallplatte 132 angeordnet sein, so dass zwischen der Abschlussplatte 138 und der Prallplatte 132 ein zweites Volumen 139 gebildet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Prallplatte 132 und/oder die Abschlussplatte 138 im Wesentlichen planar sein. Außerdem können die Prallplatte 133 und die Abschlussplatte 138 in einem Bereich der Plattformunterseite 114 angeordnet sein, die im Wesentlichen mit der Druckseite des Blatts 102 übereinstimmt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Prallplatte 132 viele Prallöffnungen 140 aufweisen, die sich durch die Dicke der Prallplatte 132 erstrecken können. Die Prallöffnungen 140 können dazu eingerichtet sein, dass wenn in das zweite Volumen 139 Druckluft eingeführt wird, die Prallöffnungen 140 das unter Druck stehende Kühlmittel ausschießen lassen und somit Kühlmittelstrahlen erzeugen, welche die Plattformunterseite 114 treffen und kühlen. Die Prallöffnungen 140 können einen freien Querschnitts-Strömungsbereich vorbestimmter Größe aufweisen, so dass unter Vorraussetzung weiterer Betriebsbedingungen eine gewünschte Kühlmittelauftreffcharakteristik erreicht wird, wie beispielsweise eine Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der ein Kühlmittelstrom auf eine Zielfläche trifft. Allgemein ist anzuerkennen, dass der Kühleffekt, wenn der Kühlmittelstrom gegen eine Auftrefffläche gerichtet wird, bei einem sich ergebenden Hochgeschwindigkeits-Kühlmittelstrom verbessert ist. Die Prallöffnungen 140 können außerdem eine Querschnittsfläche vorbestimmter Größe haben, so dass unter Berücksichtigung weiterer Betriebskriterien eine gewünschte Kühlmittelzumesscharakteristik erreicht wird. Der hier verwendete Begriff „Zumesscharakteristik” bezieht sich auf eine gewünschte Kühlmittelverteilung (oder erwartete Kühlmittelverteilung) über die Prallöffnungen 140. Die Prallöffnungen 140 können dazu ausgebildet werden, einen Kühlmittelstrom im Wesentlichen auf die Plattformunterseite 114 zu richten. Es ist zu erkennen, dass eine solche Prallkühlung die Kühlung der Plattform 110 verbessern kann. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Prallöffnungen 140 im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweisen. Jedoch können auch andere Formen der Prallöffnungen, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, kubische, prismatische oder andere Formen, genutzt werden. Außerdem sind andere Durchmessergrößen möglich. Weiter können die Prallöffnungen 140 im Wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche der Prallplatte 132 orientiert sein. Die Prallöffnungen 140 können außerdem in Bezug auf die Oberfläche der Prallplatte 132 schräg orientiert sein, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zweite Volumen wenigstens einen Einlass oder Einlasskanal aufweisen (der als Hochdruckverbinder 141 bezeichnet werden kann), der in Fluidverbindung mit dem Hochdruckabschnitt des inneren Kühlkanals 116 steht. Das erste Volumen 133 kann wenigstens einen Auslass oder Auslasskanal aufweisen (der als Niederdruckverbinder 142 bezeichnet werden kann), der in Fluidverbindung mit dem Niederdruckkühlmittelbereich des inneren Kühlkanals 116 steht. Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der Hochdruckverbinder 141 und/oder der Niederdruckverbinder 142 durch ein oder mehrere Verfahren erzeugt werden, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Abtragen, Gießen oder Ähnliches. Im Betrieb kann das durch den Hochdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals 116 fließende Kühlmittel das zweite Volumen 139 über den Hochdruckverbinder 141 erreichen. Danach kann das Kühlmittel durch die Prallöffnungen 140 strömen und die Prallkühlung der Plattform 110 erbringen, indem es auf die Plattformunterseite 114 auftrifft. Nachfolgend kann das Kühlmittel das erste Volumen 133 über den Niederdruckverbinder 142 zu dem Niederdruckkühlmittelbereich des inneren Kühlkanals 116 verlassen. Wie ausgeführt kann die erste Platte 132 infolge der vorbeschriebenen funktionalen Beziehung zwischen verschiedenen Komponenten der Plattformkühlanordnung 130 als eine „Prallplatte” oder „Außenbordplatte” beschrieben werden und die zweite Platte 138 kann als „Abschlussplatte” oder „Innenbordplatte” bezeichnet werden. Außerdem können das erste Volumen 133 und das zweite Volumen 139 als Nachaufprallvolumen und entsprechend Voraufprallkühlmittelvolumen bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Prallplatte 132 einen erhabenen Abschnitt 144 aufweisen, der als Abstandshalter oder Anschlag dienen kann, so dass eine radiale Höhe des ersten Volumens 133 festgelegt wird. Der erhabene Abschnitt 144 der Prallplatte 132 kann eine im Wesentlichen konstante Höhe aufweisen, so dass zwischen der Prallplatte 132 und der Plattformunterseite 114 ein vorbestimmter Abstand vorliegt. Der vorbestimmte Abstand kann eine gewünschte Konfiguration des ersten Volumens 133 liefern und kann auf einem Abstand beruhen, bei dem die Prallkühlung der Plattformunterseite 114 eine gewünschte Prallkühlungs- oder Wärmeübertragungscharakteristik hat. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erhabene Abschnitt 144 der Prallplatte 132 eine äußere Kantenlippe bilden, die sich um den Umfang der Prallplatte 132 herum erstreckt. Die äußere Lippe der Prallplatte 132 kann so ausgebildet sein, dass sie beim Zusammenbau eine Dichtung an der Plattformunterseite 114 ausbildet. Diese kann das erste Volumen 133 an seiner Peripherie abdichten und Kühlmittelleckagen aus dem ersten Volumen 133 heraus im Wesentlichen verhindern.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Abschlussplatte 138 ebenfalls einen erhabenen Abschnitt 146 aufweisen. Der erhabene Abschnitt 146 der Abschlussplatte 138 kann eine im Wesentlichen konstante Höhe aufweisen, so dass nach dem Zusammenbau ein bestimmter oder gewünschter Abstand zwischen der Prallplatte 132 und der Abschlussplatte 138 gegeben ist. Der vorbestimmte Abstand kann eine gewünschte Konfiguration des zweiten Volumens 139 erbringen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erhabene Abschnitt 136 der Abschlussplatte 138 eine äußere Kantenlippe umfassen, die sich entlang des Umfangs der Abschlussplatte 138 erstreckt. Die äußere Kantenlippe oder Rand der Abschlussplatte 138 können so ausgebildet sein, dass sie nach dem Zusammenbau eine Dichtung gegen die Prallplatte 132 bildet. So kann das zweite Volumen 139 entlang des Umfangs des zweiten Volumens 139 abgedichtet werden und Kühlmittelleckagen aus dem zweiten Volumen 139 im Wesentlichen verhindert werden. Außerdem kann die Abdichtung des ersten Volumens 133 und des zweiten Volumens 139 im Wesentlichen einen geschlossenen Kreis zwischen dem Einlasskanal 141 und dem Auslasskanal 142 bilden. Somit kann Kühlmittel, das durch das erste Volumen 133 und das zweite Volumen 139 fließt zur weiteren Verwendung in den inneren Kühlkanal 116 zurückkehren. Der Fachmann wird verstehen, dass zwischen der Prallplatte 132 und der Plattformunterseite 114 sowie zwischen der Prallplatte 132 und der Abschlussplatte 138 jede andere Art von Dichtungsmittel verwendet werden kann, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, eine mechanische Dichtung, ein chemisches Dichtungsmittel oder dergleichen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Prallplatte 132 und die Abschlussplatte 138 nicht einstückig ausgebildete Komponenten. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Prallplatte 132, die Abschlussplatte 138 und die Plattform 110 jeweils nicht einstückig ausgebildete Komponenten sein. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Prallplatte 132 und die Abschlussplatte 138 einstückig ausgebildete Komponenten sein und die einstückig ausgebildete erste Platte und zweite Platte können im Hinblick auf die Plattform 110 nicht einstückig ausgebildete Komponenten sein. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Prallplatte 132 und/oder die Abschlussplatte 138 mit der Plattform 110 durch ein oder mehrere Verfahren sicher verbunden werden, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Schweißen, Hartlöten, Kleben und Ähnliches. Weil jedoch die Platten 132, 138 mit der Plattform 110 der Rotorschaufel 100 nicht einstückig ausgebildet sind, bleibt jedes Teil abnehmbar (d. h. es kann zur Aufarbeitung, Reparierung, zur Abstimmung zur Inspektion abgenommen und/oder zur fortgesetzten Verwendung wieder befestigt oder durch andere ähnliche oder modifizierte Komponenten ersetzt werden) wobei irgendeine Art der oben genannten konventionellen Verbindungen vorausgesetzt wird.
Obwohl nicht dargestellt, können bei einigen Ausführungsformen Filmkühlungslöcher ausgebildet sein, die durch die äußeren, das erste Volumen 133 und das zweite Volumen 139 definierenden Wände führen. Diese können dazu genutzt werden, einem Kühlmittel zu ermöglichen, in den Hohlraum einzudringen, der durch die Stoßflächen benachbarter Rotorschaufeln 100 definiert ist.
Der Fachmann erkennt, dass die Plattformkühlanordnung 130 an vorhandenen Turbinenrotorschaufeln nachgerüstet werden kann, in dem wenigstens eine der ersten und zweiten Platte 132 und 138, sowie die Plattform 110 als nicht einstückig ausgebildete Komponenten vorliegen. Außerdem kann die Plattformkühlanordnung 130 vorhandene innere Kühlkanäle 116 von Turbinenrotorschaufeln nutzen, was die Flexibilität liefert, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei vorhandenen Schaufeln oder neuen Schaufeln zu nutzen. Die Prallplatte 132 und die Abschlussplatte 138 können außerdem durch nach dem Gießen vorgenommene Änderungen justierbar sein. Verschiedene Prallparameter, die beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, die Anzahl, die Abmessungen und die Anordnung der Prallöffnungen 140 und das exakte Profil der ersten und zweiten Platte 132, 138 können geändert werden, um die Prallkühlung der Plattform 110 zu optimieren. Somit kann die Plattformkühlanordnung 130 maßgeschneidert werden, um verschiedenen Turbinenschaufelkonfigurationen und/oder sich ändernden Bedingungen zu genügen.
Die Plattformkühlanordnung 130 kann außerdem auf einem kostensparenden und effizienten Herstellungsprozess beruhen, indem die erste Platte 132 und die zweite Platte 138 von verschiedenen Komponenten der Turbinenrotorschaufeln gesondert hergestellt werden. Außerdem können die erste und die zweite Platte 132 und 138 vorgefertigt und dann vor Ort zusammengebaut werden.
7 veranschaulicht Ansichten der Prallplatte 132 und der Abschlussplatte 138 entsprechend einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Prallplatte 132 eine gekrümmte Kante 154 und eine gerade Kante 155 aufweisen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die gekrümmte Kante 154 ungefähr mit der Form des gekrümmten Profils des Blatts 102 übereinstimmen. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Abschlussplatte 138 im Wesentlichen das gleiche Profil wie die Prallplatte 132 aufweisen und sie kann eine gekrümmte Kante 158 und eine gerade Kante 159 aufweisen. Dies kann es ermöglichen, dass die Abschlussplatte 138 im Wesentlichen unter der Prallplatte 132 ausgerichtet wird, um das zweite Volumen 139 zu bilden. Außerdem kann die flache Tasche 131 eine Profilform haben, die mit dem Profil der Prallplatte 132 im Wesentlichen übereinstimmt.
Wie in 7 weiter veranschaulicht ist, könnten die Prallöffnungen 140 der Prallplatte 132 im Wesentlichen in vielen Reihen angeordnet werden. Die Reihen der Prallöffnungen 140 können im Wesentlichen rechtwinklig oder schräg zu der geraden Kante 155 der Prallplatte 132 angeordnet sein. Jedoch können die Prallöffnungen 140 in jeder anderen Konfiguration (z. B. gestuft) angeordnet sein, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Prallplatte 132 einen zentralen erhabenen Abschnitt 164 aufweisen. Der zentrale erhabene Abschnitt 164 der Prallplatte 132 kann die Prallkühlung der Plattform 110 verbessern, indem das erste Volumen 133 in zwei Abschnitte unterteilt wird. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Abschlussplatte 138 außerdem einen zentralen erhabenen Abschnitt 166 aufweisen. Der zentrale erhabene Abschnitt 166 kann den Kühlmittelstrom aus dem zweiten Volumen 139 durch die Prallöffnungen 140 beeinflussen.
9 veranschaulicht ein Flussbild 200, das ein exemplarisches Verfahren zur Erzeugung einer Plattformkühlanordnung 130 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Flussdiagramm 200 kann an einem Schritt 202 beginnen, in welchem der Auslasskanal oder Niederdruckverbinder 142 bearbeitet wird. Der Auslasskanal 142 kann eine so vorbestimmte Konfiguration und Anordnung haben, dass der Auslasskanal 142 den Niederdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals 116 mit dem ersten Volumen 133 verbindet, sobald das erste Volumen 133 ausgebildet ist. Nachfolgend kann der Einlasskanal oder Hochdruckverbinder 141 in Schritt 204 bearbeitet werden. Der Einlasskanal 141 kann eine vorbestimmte Konfiguration und solche Anordnung haben, dass der Einlasskanal 141 den Hochdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals 116 mit dem zweiten Volumen 139 verbindet, sobald das zweite Volumen 139 ausgebildet ist.
In einem Schritt 206 kann die flache Tasche 131 in der Plattformunterseite 114 an einer Stelle ausgebildet werden, die im Wesentlichen mit der Druckseite des Blatts 102 übereinstimmt. Außerdem kann die flache Tasche 131 eine Profilform aufweisen, die im Wesentlichen mit dem Profil der Druckseite des Blatts sowie mit dem Profil der Prallplatte 132 und der Abschlussplatte 138 übereinstimmt.
In einem Schritt 207 können die Prallplatte 132 und die Abschlussplatte 138 gemäß gewünschten Spezifikationen hergestellt werden.
In einem Schritt 208 kann die Prallplatte 132 mit der Plattformunterseite 114 so verbunden werden, dass die Prallplatte 132 innen und in einem Abstand zu der Plattformunterseite 114 befestigt wird, so dass das erste Volumen 133 zwischen der Prallplatte 132 und der Plattformunterseite 114 gebildet wird. Außerdem kann die Prallplatte 132 mit der Plattformunterseite 114 so verbunden werden, dass die Prallplatte 132 innerhalb der flachen Tasche 131 angeordnet ist. Nachfolgend kann die Abschlussplatte 138 in einem Schritt 210 an der Prallplatte 132 befestigt werden, so dass die Abschlussplatte 138 innen und in einem Abstand zu der Prallplatte 132 angeordnet ist, so dass das zweite Volumen 139 zwischen der Prallplatte 132 und der Abschlussplatte 138 definiert ist. Außerdem kann die Abschlussplatte 138 mit der Prallplatte 132 verbunden werden, so dass die Profile der Prallplatte 132 und der Abschlussplatte 138 im Wesentlichen zueinander ausgerichtet sind.
In einem Schritt 212 kann das erste Volumen 133 entlang einer Zwischenfläche zwischen der Außenkantenlippe 314, der Prallplatte 132 und der Plattformunterseite 114 abgedichtet werden. Danach kann das zweite Volumen 139 in einem Schritt 214 entlang einer Zwischenfläche zwischen der äußeren Kantenlippe der Abschlussplatte 138 und der Prallplatte 132 abgedichtet werden. Die Abdichtung des ersten Volumens 133 und des zweiten Volumens 139 kann zu einem im Wesentlichen geschlossenen Flussweg zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal führen.
Wie jeder Fachmann erkennt, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf verschiedene exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden sind, wahlweise weiter angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Zum Zwecke der Kürze und die Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns in Betracht ziehend werden hier nicht alle möglichen Zwischenschritte angegeben und im Detail diskutiert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die durch die nachfolgenden oder anderweitigen Ansprüche umfasst sind, Teil der vorliegenden Anmeldung sind. Zusätzlich wird der Fachmann aus der obigen Beschreibung verschiedener exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung verschiedene Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen wahrnehmen. Solche Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen, die im Rahmen des Fachwissens liegen, sollen durch die nachfolgenden Ansprüche ebenfalls abgedeckt werden. Außerdem sollte ersichtlich sein, dass sich das vorstehende nur auf beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht und dass zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen daran gemacht werden können, ohne den Geist und Umfang der Anmeldung zu verlassen, wie sie nachfolgend durch die Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
In einer Turbinenrotorschaufel 100 umfasst eine Plattformkühleinrichtung 130 eine Plattform 110, wobei die Rotorschaufel 100 einen inneren Kühlkanal 116 aufweist und wobei im Betrieb der innere Kühlkanal 116 ein Hochdruckkühlmittelabschnitt und ein Niederdruckkühlmittelabschnitt aufweist und wobei die Plattform 110 eine Plattformunterseite 114 aufweist. Die Plattformkühlanordnung 130 kann aufweisen: eine erste Platte 132, die innen und in beabstandeter Beziehung zu der Plattformunterseite 114 angeordnet ist und ein erstes Volumen 133 ausbildet; eine zweite Platte 138, die innen und in beabstandeter Beziehung zu der ersten Platte 132 angeordnet ist, wobei die zweite Platte 138 ein zweites Volumen 139 bildet. Das zweite Volumen 139 beinhaltet einen Einlasskanal 141, der mit dem Hochdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals 116 verbunden ist und das zweite Volumen 133 enthält einen Auslasskanal 142, der es mit dem Niederdruckkühlabschnitt des inneren Kühlkanals 116 verbindet.
Bezugszeichenliste

100: Turbinenrotorschaufel
102: Blatt
104: Fuß
105: Saugfläche
106: Druckfläche
107: Anströmkante
108: Abströmkante
109: Schwalbenschwanz
110: Plattform
112: Schaft
113: Plattformoberseite
114: Plattformunterseite
116: innerer Kühlkanal
117: Einlass
119: Hohlraum
120: Plattformkühlkanäle
121: Hinterkante
122: Saugseitenkante oder Stoßfläche
124: Vorderkante
126: Druckseitenkante oder Stoßfläche
130: Plattformkühlanordnung
131: flache Tasche
132: erste Platte (Prallplatte)
133: erstes Volumen (Außenbordvolumen oder Nachaufprallvolumen)
138: zweite Platte (Abschlussplatte)
139: zweites Volumen (Innenbordvolumen oder Voraufprallvolumen)
140: Prallöffnungen
141: Hochdruckverbinder (Einlasskanal)
142: Niederdruckverbinder (Auslasskanal)
144: erhabener Abschnitt der ersten Platte
146: erhabener Abschnitt der zweiten Platte
154: gekrümmte Kante der ersten Platte
155: gerade Kante der ersten Platte
158: gekrümmte Kante der zweiten Platte
159: gerade Kante der zweiten Platte
164: zentraler erhabener Abschnitt der ersten Platte
166: zentraler erhabener Abschnitt der zweiten Platte

Claims

Plattformkühlanordnung (130) in einer Turbinenrotorschaufel (100) mit einer Plattform (110) an einer Verbindung zwischen einem Blatt (102) und einem Fuß (104), wobei die Rotorschaufel (100) einen in ihr ausgebildeten inneren Kühlkanal (116) aufweist, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuß (104) zu wenigstens ungefähr der radialen Höhe der Plattform (110) erstreckt, wobei der interne Kühlkanal (116) im Betrieb einen Hochdruckkühlmittelabschnitt und einen Niederdruckkühlmittelabschnitt aufweist, und wobei die Plattform (110) eine Plattformunterseite (114) entlang einer nach innen weisenden Fläche aufweist, wobei die Plattformkühlanordnung (130) aufweist: eine erste Platte (132), die innen beabstandet zu der Plattformunterseite (114) angeordnet ist, wobei die erste Platte (132) so eingerichtet ist, dass zwischen der ersten Platte (132) und der Plattformunterseite (114) ein erstes Volumen (133) ausgebildet ist; eine zweite Platte (138), die innen und in beabstandeter Beziehung zu der ersten Platte (132) angeordnet ist, wobei die zweite Platte (138) so ausgebildet ist, dass zwischen der zweiten Platte (138) und der ersten Platte (132) ein zweites Volumen (139) ausgebildet ist, wobei: das zweite Volumen (139) wenigstens einen Einlasskanal (141) aufweist, der mit dem Hochdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals (116) verbunden ist; das erste Volumen (133) wenigstens einen Auslasskanal (142) aufweist, der mit dem Niederdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals (116) verbunden ist; die erste Platte (132) einer Anzahl von Prallöffnungen (140) aufweist; und die erste Platte (132), die zweite Platte (138) und die Plattform (110) nicht einstückig ausgebildete Komponenten bilden.
Plattformkühlanordnung (130) nach Anspruch 1, bei der die erste Platte (132) und die zweite Platte (138) mit der Plattform (110) lösbar verbunden sind.
Plattformkühlanordnung (130) nach Anspruch 1, bei der: die Plattform (110) eine ebene Form aufweist; der innere Kühlkanal (116) einen schlangenförmigen inneren Kühlkanal (116) aufweist; der innere Kühlkanal (116) in Gebrauch dazu eingerichtet ist, eine Kühlmittelflussrichtung zu haben; und der Hochdruckkühlmittelabschnitt in Bezug auf die Kühlmittelflussrichtung einen stromaufwärtigen Abschnitt des inneren Kühlkanals (116) und der Niederdruckkühlmittelabschnitt einen stromabwärtigen Teil des inneren Kühlkanals (116) umfasst.
Plattformkühlanordnung (130) nach Anspruch 1, wobei die Plattformunterseite (114) eine sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende planare Fläche aufweist; die erste Platte (132) eine planare Platte aufweist, die an einer Seite einen erhabenen Abschnitt (144) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen vorbestimmten Abstand zwischen der ersten Platte (132) und der Plattformunterseite (114) festzulegen, wobei der vorbestimmte Abstand einer bestimmten Aufprallkühlungscharakteristik entspricht; die zweite Platte (138) eine planare Platte umfasst, die an einer Seite einen erhabenen Abschnitt (146) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen vorbestimmten Abstand zwischen der zweiten Platte (138) und der ersten Unterseite einzuhalten, wobei der vorbestimmte Abstand einem gewünschten Höhenmaß des zweiten Volumens (139) entspricht; wobei der vorbestimmte Abstand zwischen der ersten Platte (132) und der Plattformunterseite (114) auf einem Abstand basiert, in welchen die resultierende Prallkühlung der Plattformunterseite (114) eine gewünschte Wärmeübertragungscharakteristik hat; der erhabene Abschnitt (144) der ersten Platte (132) eine äußere Kantenlippe aufweist; die Außenkantenlippe der ersten Platte (132) sich entlang des Umfangs der ersten Platte (132) erstreckt; die Außenkantenlippe der ersten Platte (132) dazu eingerichtet ist, eine Dichtung an der Plattformunterseite (114) auszubilden und dadurch das erste Volumen (133) entlang seines Umfangs abzudichten; der erhabene Abschnitt (146) der zweiten Platte (138) eine Außenkantenlippe aufweist; die Außenkantenlippe der zweiten Platte (138) sich entlang des Umfangs der zweiten Platte (138) erstreckt; und die Außenkantenlippe der zweiten Platte (138) dazu eingerichtet ist, eine Dichtung gegen die erste Platte (132) zu bilden und somit das zweite Volumen (139) entlang seines Umfangs abzudichten.
Plattformkühlanordnung (130) nach Anspruch 1, wobei die Prallöffnungen (140) enge Löcher umfassen, die sich durch die Dicke der ersten Platte (132) so erstrecken, dass bei Lieferung von unter Druck stehenden Kühlmitteln das zweite Volumen (139) die Prallöffnungen (140) unter Druck stehendes Kühlmittel ausstoßen; und wobei die Prallöffnungen (140) so ausgebildet sind, dass ein hindurch fließender Kühlmittelstrom gegen die Plattformunterseite (114) gerichtet wird.
Plattformkühlanordnung (130) nach Anspruch 1, bei der: die erste Platte (132) eine Prallplatte ist; die zweite Platte (138) eine Abschlussplatte ist; das erste Volumen (130) ein Nachprallkühlmittelvolumen ist; das zweite Volumen (139) ein Voraufprallkühlmittelvolumen ist; der Auslasskanal (142) des ersten Volumens (133) den Niederdruckkühlabschnitt des inneren Kühlkanals (116) über einen hergestellten Niederdruckverbinder (142) verbindet durch den im Betrieb Kühlmittel nach dem Aufprall sich wieder mit dem Kühlmittelfluss durch den inneren Kühlkanal (116) vereint; der Einlasskanal (141) des zweiten Volumens (139), den Hochdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals (116) über einen erzeugten Hochdruckverbinder (141) verbindet, durch den im Betrieb vor dem Aufprall Kühlmittel aus dem inneren Kühlkanal (116) abgeleitet und zu dem zweiten Volumen (139) geführt wird; und das erste Volumen (133) und das zweite Volumen (139) so abgedichtet sind, dass im Wesentlichen der gesamte hindurch fließende Kühlmittelstrom in dem inneren Kühlkanal (116) rückgeleitet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Plattformkühleranordnung (130) für eine Turbinenrotorschaufel (100) mit einer Plattform (110) an einer Verbindung zwischen einem Blatt (102) und einem Fuß (104), wobei die Rotorschaufel (100) einen in ihr ausgebildeten inneren Kühlkanal (116) aufweist, der sich von einer Verbindung zu der Kühlmittelquelle an dem Fuß (104) zu wenigstens ungefähr der radialen Höhe der Plattform (110) erstreckt, wobei der innere Kühlkanal (116) in Betrieb einen Hochdruckkühlmittelabschnitt und einen Niederdruckkühlmittelabschnitt aufweist und wobei die Plattform (110) wenigstens entlang einer einwärts gerichteten Fläche einer Plattformunterseite (114) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Befestigen einer ersten Platte (132) an der Rotorschaufel (100), so dass die erste Platte (132) innerhalb und im Wesentlichen parallel und in beabstandeter Beziehung zu der Plattformunterseite (114) angeordnet ist, so dass ein erstes Volumen (133) zwischen der ersten Platte (132) und der Plattformunterseite (114) ausgebildet ist; und Befestigen einer zweiten Platte (138) an der ersten Platte (132), so dass die zweite Platte (138) innen ungefähr parallel und in beabstandeter Beziehung zu der ersten Platte (132) angeordnet ist, so dass ein zweites Volumen (139) zwischen der zweiten Platte (138) und der ersten Platte (132) ausgebildet ist; wobei die erste Platte (132) eine Anzahl von Prallöffnungen (140) aufweist, wobei die Prallöffnungen (140) enge Bohrungen umfassen, die sich durch die Dicke der ersten Platte (132) so hindurch erstrecken, dass, wenn in das zweite Volumen (139) ein unter Druck stehendes Kühlmittel eingeführt wird, die Prallöffnungen (140) das unter Druck stehende Kühlmittel ausstoßen und dabei Kühlmittelstrahlen erzeugen, die gegen die Unterseite der Plattform (110) gerichtet sind.
Verfahren der Herstellung einer Plattformkühlanordnung (130) gemäß Anspruch 7, außerdem folgende Schritte aufweisend: bevor die erste Platte (132) befestigt wird, wird ein Niederdruckverbinder (142) hergestellt, wobei der Niederdruckverbinder (142) eine vorbestimmet Konfiguration und derartige Anordnung aufweist, dass der Niederdruckverbinder (142) den Niederdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals (116) mit dem ersten Volumen (133) verbindet, sobald das erste Volumen (133) ausgebildet ist; und bevor die zweite Platte (138) befestigt wird, wird ein Hochdruckverbinder (141) hergestellt, wobei der Hochdruckverbinder (141) eine vorbestimmte Konfiguration und solche Anordnung aufweist, dass der Hochdruckverbinder (141) den Hochdruckkühlmittelabschnitt des inneren Kühlkanals (116) mit dem zweiten Volumen (139) verbindet, sobald das zweite Volumen (139) ausgebildet ist.
Verfahren zur Erzeugung einer Plattformkühlanordnung (130) nach Anspruch 8, wobei: die erste Platte (132) eine Außenkantenlippe aufweist, die sich ununterbrochen entlang des Umfangs der ersten Platte (132) erstreckt, wobei die Außenkantenlippe der ersten Platte (132) eine vorbestimmte Höhe aufweist, die ungefähr konstant ist; und wobei die zweite Platte (138) eine Außenkantenlippe aufweist, die sich ununterbrochen entlang des Umfangs der zweiten Platte (138) erstreckt, wobei die Außenkantenlippe der zweiten Platte (138) eine vorbestimmte Höhe aufweist, die ungefähr konstant ist; weiter die Schritte aufweisend, dass: das erste Volumen (133) entlang der Zwischenfläche zwischen der Außenkantenlippe der ersten Platte (132) und der Plattformunterseite (114) abgedichtet wird; und das zweite Volumen (139) entlang der Zwischenfläche zwischen der Außenkantenlippe der zweiten Platte (138) und der ersten Platte (132) abgedichtet wird; wobei die Abdichtung des ersten Volumens (133) und des zweiten Volumens (139) einen geschlossenen Flussweg zwischen dem Hochdruckverbinder (141) und der Niederdruckverbinder (142) erbringt.
Verfahren zur Erzeugung einer Plattformkühlanordnung (130) gemäß Anspruch 8, wobei die erste Platte (132) ein Profil mit einer gekrümmten Kante (154) und einer geraden Kante (155) aufweist, wobei die gekrümmte Kante (154) ungefähr mit der Form des gekrümmten Profils des Blatts (102) an der Stelle übereinstimmt, an der das Blatt (102) mit der Plattform (110) verbunden ist; weiter mit dem Schritt der Herstellung einer flachen Tasche (131) in der Plattformunterseite (114) an einer Stelle, die mit der Druckseite (106) des Blatts (102) übereinstimmt, wobei die flache Tasche (131) eine Profilform aufweist, die mit dem Profil der ersten Platte (132) übereinstimmt; wobei die erste Platte (132) mit der Plattformunterseite (114) so verbunden ist, dass die erste Platte (113) in der flachen Tasche (131) angeordnet ist.
Verfahren der Herstellung einer Plattformkühlanordnung (130) nach Anspruch 10, bei dem die zweite Platte (138) im Wesentlichen das gleiche Profil wie die erste Platte (132) aufweist und wobei die zweite Platte (138) mit der ersten Platte (132) so verbunden ist, dass die Profile der ersten Platte (132) und der zweiten Platte (138) im Wesentlichen ausgerichtet sind.