ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKGENERAL PRIOR ART
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Turbinen-Verbrennungskraftmaschinen, was, wie hierin verwendet und sofern nicht spezifisch anders angegeben, alle Typen von Turbinen-Verbrennungskraftmaschinen einschließt, wie z. B. die in der Energieerzeugung und in Flugzeugtriebwerken verwendeten. Spezieller, aber nicht begrenzend, betrifft die vorliegende Patentanmeldung Vorrichtungen, Systeme und/oder Verfahren zum Kühlen der Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln.The present invention relates generally to turbine internal combustion engines, which as used herein, and unless specifically stated otherwise, includes all types of turbine internal combustion engines, such as turbine engines. Those used in power generation and in aircraft engines. More particularly, but not by way of limitation, the present application relates to apparatus, systems, and / or methods for cooling the platform region of turbine blades.
Eine Gasturbinenmaschine beinhaltet im typischen Fall einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine beinhalten im Allgemeinen Reihen von Schaufelblättern oder Schaufeln, die axial in Stufen gestapelt sind. Jede Stufe beinhaltet im typischen Fall eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Leitschaufeln, die feststehend sind, und einen Satz von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Laufschaufeln, die sich um eine zentrale Achse oder Welle drehen. Im Betrieb werden die Laufschaufeln im Verdichter um die Welle gedreht, um einen Luftstrom zu verdichten. Die verdichtete Luft wird dann in der Brennkammer zum Verbrennen von zugeführtem Brennstoff verwendet. Der resultierende Fluss heißer Gase aus dem Verbrennungsprozess dehnt sich durch die Turbine aus, was bewirkt, dass die Laufschaufeln die Welle drehen, an der sie angebracht sind. Auf diese Weise wird die im Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die dann z. B. zum Drehen der Wicklungen eines Generators zum Erzeugen von Elektrizität verwendet werden kann.A gas turbine engine typically includes a compressor, a combustor, and a turbine. The compressor and turbine generally include rows of airfoils or vanes stacked axially in stages. Each stage typically includes a series of circumferentially spaced vanes that are stationary and a set of circumferentially spaced blades that rotate about a central axis or shaft. In operation, the blades are rotated in the compressor around the shaft to compress an airflow. The compressed air is then used in the combustion chamber to burn supplied fuel. The resulting flow of hot gases from the combustion process expands through the turbine, causing the blades to rotate the shaft to which they are attached. In this way, the energy contained in the fuel is converted into the mechanical energy of the rotating shaft, which then z. B. can be used to rotate the windings of a generator for generating electricity.
Turbinenlaufschaufeln 100, wobei auf 1 und 2 Bezug genommen wird, beinhalten im Allgemeinen ein(en) Schaufelblattteil oder Schaufelblatt 102 und eine(n) Wurzelteil oder Wurzel 104. Das Schaufelblatt 102 kann als eine konvexe Saugseite 105 und eine konkave Druckseite 106 aufweisend beschrieben werden. Das Schaufelblatt 102 kann ferner als eine Vorderkante 107, welche die vordere Kante ist, und eine Hinterkante 108, welche die hintere Kante ist, aufweisend beschrieben werden. Die Wurzel 104 kann als eine Struktur (die, wie gezeigt, gewöhnlich einen Schwalbenschwanz 109 beinhaltet) zum Befestigen der Schaufel 100 an der Rotorwelle, eine Plattform 110, von der sich das Schaufelblatt 102 erstreckt, und einen Schaft 112, der die Struktur zwischen dem Schwalbenschwanz 109 und der Plattform 110 beinhaltet, aufweisend beschrieben werden.Turbine blades 100 , where on 1 and 2 Generally, an airfoil blade or airfoil generally includes 102 and a root part or root 104 , The blade 102 can be considered a convex suction side 105 and a concave pressure side 106 to be described. The blade 102 can also be considered a leading edge 107 , which is the leading edge, and a trailing edge 108 , which is the trailing edge, will be described with reference to FIG. The root 104 may as a structure (which, as shown, usually a dovetail 109 includes) for securing the blade 100 on the rotor shaft, a platform 110 , from which the airfoil 102 extends, and a shaft 112 that the structure between the dovetail 109 and the platform 110 includes, be described having.
Wie veranschaulicht, kann die Plattform 110 im Wesentlichen eben sein. Spezieller kann die Plattform 110 eine ebene Oberseite 113 haben, die, wie in 1 gezeigt, eine axial und sich in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche beinhalten kann. Wie in 2 gezeigt, kann die Plattform 110 eine ebene Unterseite 114 haben, die auch eine axial und sich in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche beinhalten kann. Die Oberseite 113 und die Unterseite 114 der Plattform 110 können so gestaltet sein, dass sie im Wesentlichen jeweils parallel zueinander sind. Wie abgebildet, ist zu erkennen, dass die Plattform 110 gewöhnlich ein dünnes Radialprofil hat, d. h. zwischen der Oberseite 113 und der Unterseite 114 der Plattform 110 besteht ein relativ kurzer radialer Abstand.As illustrated, the platform can 110 be essentially flat. More specifically, the platform 110 a flat top 113 have, like, in 1 shown may include an axially and circumferentially extending flat surface. As in 2 shown, the platform can 110 a flat bottom 114 which may also include an axially and circumferentially extending flat surface. The top 113 and the bottom 114 the platform 110 can be designed so that they are substantially parallel to each other. As shown, it can be seen that the platform 110 usually has a thin radial profile, ie between the top 113 and the bottom 114 the platform 110 there is a relatively short radial distance.
Im Allgemeinen wird die Plattform 110 an Turbinenlaufschaufeln 100 zum Bilden der inneren Strömungsweggrenze des Heißgaspfadabschnitts der Gasturbine eingesetzt. Die Plattform 110 sorgt des Weiteren für bauliche Unterstützung für das Schaufelblatt 102. Im Betrieb induziert die Drehgeschwindigkeit der Turbine eine mechanische Belastung, die hoch beanspruchte Regionen entlang der Plattform 110 entstehen lässt, die in Verbindung mit hohen Temperaturen im Endeffekt die Bildung von Betriebsdefekten verursachen, wie Oxidation, Kriechen, Ermüdungsrissbildung bei niedriger Lastspielzahl und andere. Diese Defekte beeinträchtigen selbstverständlich die Nutzlebensdauer der Laufschaufel 100. Es ist zu erkennen, dass diese ungünstigen Betriebsbedingungen, d. h. Kontakt mit extremen Temperaturen des Heißgaspfads und mit den rotierenden Schaufeln verbundene mechanische Belastung, beträchtliche Herausforderungen für die Auslegung haltbarer, langlebiger Laufschaufelplattformen 110, die sowohl gut funktionieren als auch kostengünstig herzustellen sind, ergeben.In general, the platform becomes 110 on turbine blades 100 used to form the inner flow path boundary of the hot gas path section of the gas turbine. The platform 110 also provides structural support for the airfoil 102 , In operation, the rotational speed of the turbine induces a mechanical load, the highly stressed regions along the platform 110 which, in conjunction with high temperatures, ultimately causes the formation of operational defects such as oxidation, creep, low cycle fatigue cracking, and others. Of course, these defects affect the useful life of the blade 100 , It can be seen that these adverse operating conditions, ie, exposure to extreme temperatures of the hot gas path and mechanical stress associated with the rotating blades, present considerable challenges to the design of durable, durable blade platforms 110 that both work well and are inexpensive to produce.
Eine übliche Lösung zum Erhöhen der Dauerhaftigkeit der Plattformregion 110 ist, sie während des Betriebs mit einem Strom von Druckluft oder einem anderen Kühlmittel zu kühlen, und es sind verschiedene dieses Typs von Plattformauslegungen bekannt. Wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird, wirft die Plattformregion 110 aber gewisse Konstruktionsprobleme auf, die ihre Kühlung auf diese Weise schwierig machen. Dies beruht in bedeutendem Maße insofern auf der schwierigen Geometrie dieser Region, als die Plattform 110, wie beschrieben, ein peripherer Bestandteil ist, der sich vom zentralen Kern der Laufschaufel entfernt befindet, und gewöhnlich so gestaltet ist, dass sie eine strukturell solide, aber dünne radiale Dicke hat.A common solution for increasing the durability of the platform region 110 is to cool it during operation with a stream of compressed air or other coolant, and various of this type of platform designs are known. As one of ordinary skill in the art will appreciate, the platform region throws 110 but some design problems that make their cooling difficult in this way. This relies to a great extent on the difficult geometry of this region, as the platform 110 As described, it is a peripheral component located away from the central core of the blade, and is usually designed to have a structurally sound but thin radial thickness.
Zum Umwälzen des Kühlmittels beinhalten die Laufschaufeln 100 gewöhnlich einen oder mehrere hohle Kühlgänge 116 (siehe 3, 4, 5 und 9), die mindestens radial durch den Kern der Schaufel 100, einschließlich durch die Wurzel 104 und das Schaufelblatt 102, verlaufen. Wie unten noch ausführlicher beschrieben wird, können derartige Kühlgänge 116 zum Erhöhen des Wärmeaustauschs mit einem geschlängelten Pfad gebildet werden, der sich durch die zentralen Regionen der Schaufel 100 windet, obwohl auch andere Konfigurationen möglich sind. Im Betrieb kann ein Kühlmittel über einen oder mehrere Einlässe 117, die im innenliegenden Teil der Wurzel 104 gebildet sind, in die zentralen Kühlgänge eintreten. Das Kühlmittel kann durch die Schaufel 100 zirkulieren und durch am Schaufelblatt gebildete Auslässe (nicht gezeigt) und/oder einen oder mehrere in der Wurzel 104 gebildete Auslässe (nicht gezeigt) austreten. Das Kühlmittel kann unter Druck stehen und zum Beispiel Druckluft, mit Wasser vermischte Druckluft, Dampf und dergleichen beinhalten. In vielen Fällen ist das Kühlmittel Druckluft, die vom Verdichter der Maschine abgeleitet wird, andere Quellen sind aber auch möglich. Wie unten ausführlicher besprochen wird, beinhalten diese Kühlgänge im typischen Fall eine Hochdruckkühlmittelregion und eine Niederdruckkühlmittelregion. Die Hochdruckkühlmittelregion entspricht meist einem stromaufwärts befindlichen Teil des Kühlgangs, der einen höheren Kühlmitteldruck hat, während die Niederdruckkühlmittelregion einem stromabwärts befindlichen Teil entspricht, der einen relativ niedrigeren Kühlmitteldruck hat.To circulate the coolant include the blades 100 usually one or more hollow cooling passages 116 (please refer 3 . 4 . 5 and 9 ) passing at least radially through the core of the blade 100 including by the root 104 and the blade 102 , run. As will be described in more detail below, such cooling passages 116 to increase the heat exchange with a meandering path extending through the central regions of the blade 100 winds, although other configurations are possible. In operation, a coolant may be via one or more inlets 117 in the inner part of the root 104 are formed, enter the central cooling passages. The coolant can through the blade 100 circulate and outlets formed by the airfoil (not shown) and / or one or more in the root 104 emerge formed outlets (not shown). The coolant may be under pressure including, for example, compressed air, compressed air mixed with water, steam, and the like. In many cases, the refrigerant is compressed air that is discharged from the compressor of the machine, but other sources are also possible. As will be discussed in greater detail below, these cooling passages typically include a high pressure coolant region and a low pressure coolant region. The high pressure coolant region generally corresponds to an upstream portion of the cooling passage having a higher coolant pressure while the low pressure coolant region corresponds to a downstream portion having a relatively lower coolant pressure.
In einigen Fällen kann das Kühlmittel aus den Kühlgängen 116 in einen Hohlraum 119 geleitet werden, der zwischen den Schäften 112 und Plattformen 110 benachbarter Laufschaufeln 100 gebildet wird. Von dort kann das Kühlmittel zum Kühlen der Plattformregion 110 der Schaufel verwendet werden, wobei eine konventionelle Ausführung davon in 3 dargestellt ist. Dieser Auslegungstyp zieht im typischen Fall Luft aus einem der Kühlgänge 116 ab und verwendet die Luft, um den zwischen den Schäften 112 und Plattformen 110 gebildeten Hohlraum 119 mit Druck zu beaufschlagen. Sobald er druckbeaufschlagt worden ist, führt dieser Hohlraum 119 dann durch die Plattformen 110 verlaufenden Kühlkanälen Kühlmittel zu. Nachdem sie die Plattform 110 durchströmt hat, kann die Kühlluft durch in der Oberseite 113 der Plattform 110 gebildete Filmkühlungslöcher aus dem Hohlraum ausströmen.In some cases, the coolant may leak from the cooling passages 116 in a cavity 119 be guided between the shafts 112 and platforms 110 adjacent blades 100 is formed. From there, the coolant can be used to cool the platform region 110 the blade can be used, with a conventional implementation thereof in 3 is shown. This type of design typically draws air from one of the cooling passages 116 and uses the air to the between the shafts 112 and platforms 110 formed cavity 119 to apply pressure. Once pressurized, this cavity leads 119 then through the platforms 110 extending coolant channels to coolant. After seeing the platform 110 through which the cooling air can pass through in the top 113 the platform 110 flow out formed film cooling holes from the cavity.
Es ist aber zu erkennen, dass dieser konventionelle Auslegungstyp mehrere Nachteile hat. Erstens ist der Kühlkreislauf nicht in einem einzelnen Teil in sich geschlossen, da der Kühlkreislauf erst hergestellt wird, wenn zwei benachbarte Laufschaufeln 100 zusammengebaut werden. Dies verleiht den Strömungstests bei der Montage und vor der Montage einen erheblich größeren Schwierigkeits- und Kompliziertheitsgrad. Ein zweiter Nachteil ist, dass die Vollständigkeit des zwischen benachbarten Laufschaufeln 100 gebildeten Hohlraums 119 davon abhängt, wie gut der Umfang des Hohlraums 119 abgedichtet ist. Eine unzureichende Abdichtung kann zu unzureichender Plattformkühlung und/oder ungenutzter Kühlluft führen. Ein dritter Nachteil ist das damit verbundene Riskio, dass Gase im Heißgaspfad in den Hohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst aufgenommen werden können. Dies kann vorkommen, wenn der Hohlraum 119 während des Betriebs nicht auf einem ausreichend hohen Druck gehalten wird. Wenn der Druck des Hohlraums 119 unter den Druck im Heißgaspfad fällt, werden heiße Gase in den Schafthohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst aufgenommen, wodurch diese Komponenten meist beschädigt werden, da sie nicht dafür ausgelegt sind, Heißgaspfadbedingungen standzuhalten.However, it will be appreciated that this conventional design type has several disadvantages. First, the refrigeration cycle is not self-contained in a single part because the refrigeration cycle is not established until two adjacent blades 100 be assembled. This gives the flow tests during assembly and before installation a much greater degree of difficulty and complexity. A second drawback is that the completeness of the between adjacent blades 100 formed cavity 119 it depends on how well the perimeter of the cavity 119 is sealed. Insufficient sealing may result in insufficient platform cooling and / or unused cooling air. A third disadvantage is the associated risk of gases in the hot gas path into the cavity 119 or the platform 110 can be recorded yourself. This can happen when the cavity 119 is not maintained at a sufficiently high pressure during operation. When the pressure of the cavity 119 When the pressure in the hot gas path drops, hot gases enter the shaft cavity 119 or the platform 110 themselves, which tends to damage these components because they are not designed to withstand hot gas path conditions.
4 und 5 stellen einen weiteren Typ einer konventionellen Auslegung für die Plattformkühlung dar. In diesem Fall ist der Kühlkreislauf in der Laufschaufel 100 eingeschlossen und schließt den Schafthohlraum 119 nicht ein, wie abgebildet. Kühlluft wird aus einem der Kühlgänge 116, die durch den Kern der Schaufel 110 verlaufen, abgezogen und nach hinten durch in der Plattform 110 ausgebildete Kühlkanäle 120 (d. h. „Plattformkühlkanäle 120”) geführt. Wie von den mehreren Pfeilen gezeigt wird, strömt die Kühlluft durch die Plattformkühlkanäle 120 und tritt durch Auslässe im hinteren Rand 121 der Plattform 110 oder aus am Saugseitenrand 122 entlang angeordneten Auslässen aus. (Es ist zu beachten, dass beim Beschreiben der bzw. bei Bezugnahme auf die Ränder oder Seiten der rechteckigen Plattform 110 diese jeweils je nach ihrer Lage im Verhältnis zur Saugseite 105 und zur Druckseite 106 des Schaufelblatts 102 und/oder zur Vorwärts- und Rückwärtsrichtung der Maschine bei eingebauter Schaufel 100 beschrieben werden können. Von daher kann, wie der Durchschnittsfachmann erkennt, die Plattform einen hinteren Rand 121, einen Saugseitenrand 122, einen vorderen Rand 124 und einen Druckseitenrand 126 aufweisen, wie in den 3 und 4 gezeigt. Außerdem werden der Saugseitenrand 122 und der Druckseitenrand 126 gewöhnlich auch als „Schlitzseitenwände” bezeichnet und der schmale Hohlraum, der zwischen ihnen gebildet wird, wenn die benachbarten Laufschaufeln 100 eingebaut worden sind, kann als ein „Schlitzseitenwand-Hohlraum” bezeichnet werden.) 4 and 5 represent another type of conventional design for platform cooling. In this case, the cooling circuit is in the blade 100 included and closes the shaft cavity 119 not one, as shown. Cooling air comes from one of the cooling passages 116 passing through the core of the scoop 110 run, pulled off and back through in the platform 110 trained cooling channels 120 (ie "platform cooling channels 120 ") guided. As shown by the multiple arrows, the cooling air flows through the platform cooling channels 120 and enters through outlets in the rear edge 121 the platform 110 or off at the suction side edge 122 along arranged outlets. (It should be noted that when describing or referring to the edges or sides of the rectangular platform 110 these in each case depending on their position in relation to the suction side 105 and to the print side 106 of the airfoil 102 and / or to the forward and backward direction of the machine with the bucket installed 100 can be described. As such, as one of ordinary skill in the art will appreciate, the platform may have a trailing edge 121 , a suction side edge 122 , a front edge 124 and a printed margin 126 have, as in the 3 and 4 shown. In addition, the suction side edge 122 and the print margin 126 commonly referred to as "slot sidewalls" and the narrow cavity formed between them when the adjacent blades 100 may be referred to as a "slot sidewall cavity".)
Es ist zu erkennen, dass die konventionellen Auslegungen der 4 und 5 gegenüber der Auslegung von 3 insofern einen Vorteil haben, als sie von Variationen der Montage- oder Einbaubedingungen nicht beeinflusst werden. Konventionelle Auslegungen dieser Art haben aber mehrere Begrenzungen oder Nachteile. Erstens ist, wie abgebildet, auf jeder Seite des Schaufelblatts 102 nur ein einzelner Kreislauf bereitgestellt und es besteht daher der Nachteil, dass die Kontrolle über die Menge der an verschiedenen Positionen in der Plattform 110 verwendeten Kühlluft begrenzt ist. Zweitens haben konventionelle Auslegungen dieses Typs einen Abdeckungsbereich, der allgemein begrenzt ist. Der geschlängelte Pfad von 5 ist zwar gegenüber 4 eine Verbesserung, was die Abdeckung betrifft, es gibt aber immer noch Totflächen innerhalb der Plattform 110, die ungekühlt bleiben. Drittens steigen zum Erhalten einer besseren Abdeckung mit kompliziert gestalteten Plattformkühlkanälen 120 die Herstellungskosten drastisch an, besonders wenn die Kühlkanäle Formen haben, für deren Herstellung ein Gießverfahren erforderlich ist. Viertens lassen diese konventionellen Auslegungen im typischen Fall nach dem Gebrauch und bevor das Kühlmittel völlig aufgebraucht ist, Kühlmittel in den Heißgaspfad ab, was den Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigt. Fünftens haben konventionelle Auslegungen dieser Art im Allgemeinen wenig Flexibilität. Das heißt, die Gänge 120 sind als integrierte Bestandteile der Plattform 110 ausgebildet und bieten wenig oder keine Möglichkeit zum Ändern ihrer Funktion oder Konfiguration bei variierenden Betriebsbedingungen. Außerdem sind diese Typen von konventionellen Auslegungen schwierig zu reparieren oder zu überholen.It can be seen that the conventional interpretations of the 4 and 5 towards the interpretation of 3 have an advantage in that they are not affected by variations in mounting or installation conditions. However, conventional designs of this kind have several limitations or disadvantages. First, as shown, on each side of the airfoil 102 only a single circuit is provided and there is therefore the disadvantage of having control over the amount of at different positions in the platform 110 used cooling air is limited. Second, conventional designs of this type have one Coverage area, which is generally limited. The meandering path of 5 is opposite 4 an improvement in terms of coverage, but there are still dead spots within the platform 110 that stay uncooled. Third, to get better coverage with complicatedly designed platform cooling channels 120 the manufacturing costs drastically, especially if the cooling channels have forms that require a casting process to manufacture them. Fourth, these conventional designs typically leave coolant in the hot gas path after use and before the coolant is completely depleted, affecting the efficiency of the engine. Fifth, conventional designs of this type generally have little flexibility. That is, the aisles 120 are as integrated components of the platform 110 are designed and offer little or no ability to change their function or configuration under varying operating conditions. In addition, these types of conventional designs are difficult to repair or overhaul.
Ein weiteres Problem betrifft die Schwierigkeiten um die Kühlung der druckseitigen und saugseitigen Schlitzseitenwände 126, 122. Konventionelle Auslegungen können an den Schlitzseitenwänden 126, 122 befindliche Öffnungen für die Freisetzung von Kühlmittel beinhalten. Die Öffnungen sind zum Freisetzen eines aufprallenden Hochgeschwindigkeits-Kühlmittelstroms gestaltet. Bei diesen konventionellen Methoden fehlt den Öffnungen aber eine durchkonzipierte Austrittsgeometrie, was zu einem steilen thermischen Gradienten um jede der Öffnungen und allgemeiner an den Schlitzseitenwänden der Plattform entlang sowie an der Zieloberfläche des Prallstroms führt. Derartige thermische Gradienten erhöhen die Beeinträchtigung innerhalb dieser Region der Laufschaufel. Infolgedessen hapert es bei konventionellen Plattformkühlungsauslegungen an einem oder mehreren wichtigen Bereichen. Es besteht weiterhin ein Bedarf an verbesserten Vorrichtungen, Systemen und Verfahren, welche die Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln effektiv und effizient kühlen, während sie gleichzeitig kostengünstig, flexibel in der Anwendung und dauerhaft sind.Another problem relates to the difficulties of cooling the pressure side and suction side slot side walls 126 . 122 , Conventional designs may be at the slot sidewalls 126 . 122 contain openings for the release of coolant. The openings are designed to release a high velocity impinging coolant flow. In these conventional methods, however, the apertures lack a well-defined exit geometry, resulting in a steep thermal gradient around each of the apertures and more generally along the slot sidewalls of the platform as well as at the target surface of the impingement stream. Such thermal gradients increase the degradation within this region of the blade. As a result, conventional platform cooling designs fail in one or more important areas. There remains a need for improved devices, systems, and methods that effectively and efficiently cool the platform region of turbine blades while being cost effective, flexible in use, and durable.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt daher eine Plattformkühlanordnung in einer Turbinenlaufschaufel, die an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel eine Plattform hat. Die Plattform kann eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand beinhalten. Die Plattformkühlanordnung kann Folgendes beinhalten: einen im Inneren der Plattform ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft. An einem zweiten Ende kann der Kühlkanal eine Tasche beinhalten. Die Tasche kann, knapp bevor der Kühlkanal die Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrößerung des Strömungsquerschnitts beinhalten.The present patent application therefore describes a platform cooling arrangement in a turbine blade having a platform at an interface between an airfoil and a root. The platform may include a pressure-side slot sidewall and a suction-side slot sidewall. The platform cooling arrangement may include: a cooling passage formed in the interior of the platform, the cooling passage extending from a first end toward the pressure-side slot side wall or the suction-side slot side wall. At a second end, the cooling channel may include a pocket. The pocket may include an abrupt increase in the flow area just before the cooling channel reaches the slot sidewall.
Die Plattformkühlanordnung der Erfindung in einer Turbinenlaufschaufel weist eine Plattform an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel auf, wobei die Plattform eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand aufweist, wobei die Plattformkühlanordnung Folgendes aufweist:
einen im Inneren der Plattform ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft,
wobei der Kühlkanal an einem zweiten Ende eine Tasche aufweist, wobei die Tasche, knapp bevor der Kühlkanal die druckseitige bzw. saugseitige Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrößerung des Strömungsquerschnitts aufweist.The platform cooling arrangement of the invention in a turbine blade has a platform at an interface between an airfoil and a root, the platform having a pressure-side slot sidewall and a suction-side slot sidewall, the platform cooling assembly comprising:
a cooling channel formed in the interior of the platform, wherein the cooling channel extends from a first end in the direction of the pressure-side slot side wall or the suction-side slot side wall,
wherein the cooling channel has a pocket at a second end, the pocket having an abrupt increase in the flow cross-section just before the cooling channel reaches the pressure-side or suction-side slot side wall.
Das erste Ende des Kühlkanals der Plattformkühlanordnung kann mit einer an einer Unterseite der Plattform ausgebildeten Öffnung verbunden sein, wobei die Öffnung zur fluidischen Kommunikation mit einer Schafthohlraumkühlungsquelle während des Betriebs gestaltet ist.The first end of the cooling channel of the platform cooling assembly may be connected to an opening formed on an underside of the platform, wherein the opening is configured for fluidic communication with a stem cavity cooling source during operation.
Das erste Ende des Kühlkanals der Plattformkühlanordnung kann mit einem in dem Inneren der Plattform ausgebildeten Zwischenraum verbunden sein, wobei der Zwischenraum einen Strömungsquerschnitt aufweist, der größer als ein Strömungsquerschnitt des Kühlkanals ist.The first end of the cooling channel of the platform cooling arrangement may be connected to a space formed in the interior of the platform, wherein the intermediate space has a flow cross-section which is larger than a flow cross-section of the cooling channel.
Die Laufschaufel einer oben erwähnten Plattformkühlanordnung kann ferner einen darin ausgebildeten inneren Kühlgang beinhalten, der von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an der Wurzel der Laufschaufel bis auf wenigstens die ungefähre radiale Höhe der Plattform verläuft. Ferner kann sie einen Verbinder aufweisen, der den Zwischenraum mit dem inneren Kühlgang verbindet.The bucket of a platform cooling arrangement mentioned above may further include an internal cooling passage formed therein extending from a connection with a source of coolant at the root of the blade to at least the approximate radial height of the platform. Further, it may have a connector connecting the space with the inner cooling passage.
Die Plattformkühlanordnung des oben erwähnten Typs kann ferner eine Vielzahl von Kühlkanälen aufweisen, wobei jeder der Vielzahl von Kühlkanälen an dem ersten Ende mit dem Zwischenraum verbunden sein kann und wobei jeder der Vielzahl von Kühlkanälen am zweiten Ende die Tasche beinhalten kann, wobei jede der Taschen, knapp bevor der Kühlkanal die druckseitige Schlitzseitenwand bzw. die saugseitige Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrößerung des Strömungsquerschnitts aufweisen kann.The platform cooling arrangement of the above-mentioned type may further comprise a plurality of cooling channels, wherein each of the plurality of cooling channels at the first end may be connected to the space, and wherein each of the plurality of cooling channels at the second end may include the pocket, wherein each of the pockets, just before the cooling channel reaches the pressure-side slot side wall or the suction-side slot side wall can have an abrupt increase in the flow cross-section.
Die Vielzahl von Taschen der oben erwähnten Plattformkühlanordnung kann an der saugseitigen Schlitzseitenwand entlang angeordnet sein. Die Vielzahl von Taschen kann in regelmäßigen Intervallen an der druckseitigen Schlitzseitenwand entlang angeordnet sein. Die Vielzahl von Taschen kann vier bis acht Taschen umfassen. Die Vielzahl von Taschen kann an der druckseitigen Schlitzseitenwand entlang verteilt sein. Jede der Vielzahl von Taschen kann eine konkave Ausnehmung aufweisen, die in der druckseitigen Schlitzseitenwand ausgebildet ist.The plurality of pockets of the above-mentioned platform cooling arrangement can be attached to the be arranged along the suction side slit side wall. The plurality of pockets may be arranged at regular intervals along the pressure-side slot sidewall. The variety of pockets can include four to eight pockets. The plurality of pockets may be distributed along the pressure side slot side wall. Each of the plurality of pockets may have a concave recess formed in the pressure side slot side wall.
Jede der Vielzahl von Taschen einer oben erwähnten Anordnung kann eine mit der druckseitigen Schlitzseitenwand komplanare Mündung beinhalten,
wobei sich jede der Taschen von der Mündung ein kurzes Stück weit in die Plattform hinein erstrecken kann und an einer Innenwand endet, wobei die Innenwand der Mündung gegenüberliegt,
wobei jede der Taschen eine Öffnung aufweisen kann, durch welche durch die Kühlkanäle strömendes Kühlmittel in die Tasche eintritt, und
wobei die Öffnung an der Innenwand der Tasche angeordnet sein kann.Each of the plurality of pockets of an above-mentioned arrangement may include a mating mouth with the pressure-side slot side wall,
wherein each of the pockets may extend from the mouth a short distance into the platform and terminate at an inner wall, the inner wall being opposite the mouth,
each of the pockets may have an opening through which coolant flowing through the cooling channels enters the pocket, and
wherein the opening may be disposed on the inner wall of the pocket.
Die Mündung jeder der Vielzahl von Taschen kann ein rechteckiges Profil aufweisen.The mouth of each of the plurality of pockets may have a rectangular profile.
Jede der Taschen kann ferner Folgendes aufweisen:
eine Tiefe, die eine Umfangsentfernung zwischen der Mündung und der Innenwand definiert,
eine Höhe, die eine radiale Höhe der Tasche definiert,
eine Breite, die eine axiale Breite der Tasche ist,
wobei die Tasche so gestaltet ist, dass die Tiefe das 0,1- und 0,6-fache einer Umfangstiefe der Plattform aufweist,
wobei die Höhe der Tasche zwischen dem 0,1- und 0,9-fachen einer radialen Höhe der Plattform beträgt,
wobei die Breite der Tasche zwischen dem 0,1- und 0,4-fachen einer axialen Breite der Plattform beträgt und
wobei die Öffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der zwischen dem 0,1- und 0,6-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung beträgt.Each of the pockets may further include:
a depth defining a circumferential distance between the mouth and the inner wall,
a height defining a radial height of the pocket,
a width which is an axial width of the pocket,
the pocket being designed so that the depth is 0.1 and 0.6 times a circumferential depth of the platform,
wherein the height of the pocket is between 0.1 and 0.9 times a radial height of the platform,
wherein the width of the pocket is between 0.1 and 0.4 times an axial width of the platform, and
wherein the opening has a flow area that is between 0.1 and 0.6 times a flow area of the orifice.
Außerdem oder alternativ kann jede der Taschen Folgendes aufweisen:
eine Tiefe, die einen Umfangsabstand zwischen der Mündung und der Innenwand definiert,
eine Höhe, die eine radiale Höhe der Tasche definiert,
eine Breite, die eine axiale Breite der Tasche ist,
wobei die Tasche so gestaltet ist, dass die Tiefe das 0,2- und 0,3-fache einer Umfangstiefe der Plattform aufweist,
wobei die Höhe der Tasche zwischen dem 0,4- und 0,8-fachen einer radialen Höhe der Plattform beträgt und
wobei die Breite der Tasche zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen einer axialen Breite der Plattform beträgt und
wobei die Öffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der zwischen dem 0,2- und 0,4-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung beträgt.Additionally or alternatively, each of the pockets may include:
a depth defining a circumferential distance between the mouth and the inner wall,
a height defining a radial height of the pocket,
a width which is an axial width of the pocket,
the pocket being designed so that the depth is 0.2 and 0.3 times a circumferential depth of the platform,
wherein the height of the pocket is between 0.4 and 0.8 times a radial height of the platform and
wherein the width of the pocket is between 0.2 and 0.3 times an axial width of the platform, and
wherein the opening has a flow area that is between 0.2 and 0.4 times a flow area of the orifice.
Die Mündung kann einen größeren Strömungsquerschnitt aufweisen als die Öffnung und der Kühlkanal.The mouth may have a larger flow area than the opening and the cooling channel.
Abgesehen davon kann die Plattformkühlanordnung ferner einen Tasche/Tasche-Kanal aufweisen, wobei der Tasche/Tasche-Kanal einen inneren Kanal aufweist, der eine der Vielzahl von Taschen mit einer benachbarten Tasche verbindet.Apart from that, the platform cooling assembly may further include a pocket / pocket channel, the pocket / pocket channel having an interior channel connecting one of the plurality of pockets to an adjacent pocket.
Der Tasche/Tasche-Kanal kann parallel zur druckseitigen Schlitzseitenwand angeordnet sein und gestaltet sein, um die Fluidkommunikation zwischen der einen Tasche und der benachbarten Tasche zuzulassen.The pocket / pocket channel may be parallel to the pressure side slot sidewall and configured to allow fluid communication between the one pocket and the adjacent pocket.
Der Tasche/Tasche-Kanal kann einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der kleiner als der Strömungsquerschnitt der Mündung von jeder der einen Tasche und der benachbarten Tasche ist.The pocket / pocket channel may have a flow area that is smaller than the flow area of the mouth of each of the pocket and the adjacent pocket.
Die Plattformkühlanordnung kann ferner einen Tasche/Oberseite-Kanal aufweisen, wobei der Tasche/Oberseite-Kanal einen inneren Kanal aufweist, der eine der Vielzahl von Taschen mit einer Oberseite der Plattform verbindet.The platform cooling assembly may further include a pocket / top channel, the pocket / top channel having an interior channel connecting one of the plurality of pockets to a top of the platform.
Der Tasche/Oberseite-Kanal der Plattformkühlanordnung kann gestaltet sein, um die Fluidkommunikation zwischen einer Öffnung, die sich an einer außenliegenden Innenfläche der Tasche befindet, und einer an der Oberseite der Plattform ausgebildeten Oberseitenöffnung zuzulassen.The pocket / top channel of the platform cooling assembly may be configured to permit fluid communication between an opening located on an outboard inner surface of the pocket and a top opening formed on the top of the platform.
Der Tasche/Oberseite-Kanal kann einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der kleiner als der Strömungsquerschnitt der Mündung der Tasche ist, und
der Tasche/Oberseite-Kanal kann in einer Stromabwärtsrichtung abgeschrägt sein.The pocket / top channel may have a flow area that is smaller than the flow area of the mouth of the pocket, and
the pocket / top channel may be chamfered in a downstream direction.
Bei der Plattformkühlanordnung kann der Zwischenraum einen hohlen Durchgang umfassen, wobei der Zwischenraum von einer inneren Position zu einer Position nahe der druckseitigen Schlitzseitenwand oder der saugseitigen Schlitzseitenwand verläuft,
wobei der Zwischenraum einen Zwischenraumauslass beinhaltet, der mit einer weiteren Tasche verbunden ist, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand bzw. der saugseitigen Schlitzseitenwand ausgebildet ist, und
wobei der Zwischenraumauslass einen Strömungsquerschnitt aufweist, der kleiner als der Strömungsquerschnitt des Zwischenraums ist.In the platform cooling arrangement, the space may include a hollow passage, the space extending from an inner position to a position near the pressure-side slot side wall or the suction-side slot side wall,
wherein the gap includes a gap outlet connected to another pocket formed on the pressure side slit side wall and the suction side slit side wall respectively, and
wherein the space outlet has a flow area smaller than the flow area of the space.
Der Strömungsquerschnitt des Zwischenraumauslasses kann so gestaltet sein, dass eine gewünschte Dosierungscharakteristik erreicht wird.The flow cross section of the interstitial outlet can be designed so that a desired metering characteristic is achieved.
Die Plattformkühlanordnung kann ferner einen nicht einstückig ausgebildeten Stopfen aufweisen, der zwischen dem Zwischenraum und der Tasche positioniert ist, wobei der nicht einstückig ausgebildete Stopfen zum Verringern des Strömungsquerschnitts des Zwischenraums gestaltet ist, um so den Zwischenraumauslass zu bilden.The platform cooling assembly may further include a non-integral plug positioned between the gap and the pocket, wherein the non-integral plug is configured to reduce the flow area of the gap so as to form the gap outlet.
Der Zwischenraum kann eine Versorgungskammer umfassen, von der die Vielzahl von Kühlkanälen abzweigt, und
jeder der Vielzahl von Kühlkanälen kann einen linearen Durchgang aufweisen, der zwischen dem Zwischenraum und einer der Taschen verläuft.The space may include a supply chamber from which the plurality of cooling channels branches, and
each of the plurality of cooling channels may have a linear passage extending between the gap and one of the pockets.
Die Plattformkühlanordnung kann ferner eine Vielzahl von Zwischenräumen aufweisen, die jeweils eine Vielzahl von davon abzweigenden Kühlkanälen beinhalten.The platform cooling arrangement may further include a plurality of spaces each including a plurality of cooling channels branching therefrom.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei der Prüfung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wenn in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen betrachtet, offensichtlich.These and other features of the present application will become apparent upon consideration of the following detailed description of the preferred embodiments when considered in conjunction with the drawings and the appended claims.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden beim sorgfältigen Studium der folgenden ausführlicheren Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen umfassender verstanden und erfasst werden, wobei:These and other features of this invention will be more fully understood and appreciated upon a careful study of the following more particular description of exemplary embodiments of the invention, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, 1 FIG. 4 illustrates a perspective view of an exemplary turbine blade in which embodiments of the present invention may be used; FIG.
2 eine Unterseitenansicht einer Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, 2 illustrates a bottom view of a turbine blade in which embodiments of the present invention may be used;
3 eine Schnittansicht benachbarter Turbinenlaufschaufeln veranschaulicht, die ein Kühlsystem gemäß einer konventionellen Auslegung haben, 3 illustrates a sectional view of adjacent turbine blades having a cooling system according to a conventional design,
4 eine Draufsicht einer Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen gemäß einer konventionellen Auslegung hat, 4 illustrates a top view of a turbine blade having a platform with internal cooling channels according to a conventional design,
5 eine Draufsicht einer Turbinenlaufschaufel veranschaulicht, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen gemäß einer alternativen konventionellen Auslegung hat, 5 illustrates a top view of a turbine blade having a platform with internal cooling channels according to an alternative conventional design,
6 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel mit einer Plattformkühlungskonfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, 6 FIG. 12 illustrates a perspective view of a turbine blade having a platform cooling configuration according to an exemplary embodiment of the present invention; FIG.
7 eine teilweise im Querschnitt dargestellte Draufsicht einer Plattform einer Turbinenlaufschaufel mit einer Plattformkühlungskonfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, 7 FIG. 12 illustrates a partial cross-sectional plan view of a platform of a turbine blade having a platform cooling configuration according to an exemplary embodiment of the present invention; FIG.
8 eine Frontansicht aus dem Blickwinkel entlang 8-8 von 7 veranschaulicht, 8th a front view from the angle along 8-8 of 7 illustrates
9 eine Querschnittansicht entlang 9-9 von 7 veranschaulicht, 9 a cross-sectional view along 9-9 of 7 illustrates
10 eine Seitenansicht einer Plattformkühlungskonfiguration gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, 10 FIG. 10 illustrates a side view of a platform cooling configuration according to an alternative embodiment of the present invention; FIG.
11 eine Seitenansicht einer Plattformkühlungskonfiguration gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht und 11 FIG. 3 illustrates a side view of a platform cooling configuration according to an alternative embodiment of the present application; and FIG
12 eine teilweise im Querschnitt dargestellte Draufsicht einer Turbinenlaufschaufel mit einer Plattformkühlungskonfiguration gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 12 FIG. 12 illustrates a partial cross-sectional top view of a turbine blade having a platform cooling configuration according to an alternative embodiment of the present invention. FIG.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Wie oben beschrieben, sind verschiedene konventionelle Auslegungen innerer Kühlgänge 116 zum Kühlen gewisser Regionen in einer Laufschaufel 100 wirksam. Die Plattformregion erweist sich aber als problematischer, wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird. Dies beruht zumindest zum Teil auf der schwierigen Geometrie der Plattformregion – d. h. ihre schmale radiale Höhe und die Art und Weise, wie sie vom Kern oder Hauptkörper der Laufschaufel 100 absteht. Angesichts ihres Kontakts mit den extremen Temperaturen des Heißgaspfads und der hohen mechanischen Beanspruchung sind die Kühlungsanforderungen der Plattform 110 aber beträchtlich. Wie oben beschrieben, sind konventionelle Plattformkühlungskonfigurationen unwirksam, weil sie nicht auf die besonderen Herausforderungen der Region eingehen, weil ihre Kühlmittelnutzung nicht effizient ist und/oder weil ihre Herstellung kostspielig ist.As described above, various conventional designs are internal cooling passages 116 for cooling certain regions in a blade 100 effective. However, the platform region proves to be more problematic, as one of ordinary skill in the art will recognize. This is due, in part, to the difficult geometry of the platform region - ie, its narrow radial height and the way in which it comes from the core or main body of the blade 100 projects. Given their contact with the extreme temperatures of the hot gas path and the high mechanical stress, the cooling requirements are the platform 110 but considerably. As described above, conventional platform cooling configurations are ineffective because they do not address the specific challenges of the region because their use of coolant is not efficient and / or because their manufacture is costly.
Zur Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung können mehrere spezielle beschreibende Begriffe verwendet werden. Die Bedeutung dieser Begriffe schließt die folgenden Definitionen ein. Die Begriffe „stromabwärts” und „stromaufwärts” sind Begriffe, die eine Richtung in Bezug auf die Strömung von Arbeitsfluid durch die Turbine beziehungsweise von Kühlmittel durch einen Kühlgang andeuten. Dementsprechend bedeutet der Begriff „stromabwärts” die Strömungsrichtung und der Begriff „stromaufwärts” bedeutet in der der Strömung entgegengesetzten Richtung. Der Begriff „radial” bezieht sich auf eine zu einer Achse lotrechte Bewegung oder Position. Oft müssen Teile beschrieben werden, die sich an unterschiedlichen radialen Positionen in Bezug auf diese Achse befinden. In diesen Fällen kann, wenn ein erstes Bauteil näher an der Achse liegt als ein zweites Bauteil, hierin angegeben werden, dass das erste Bauteil „innenliegend” oder „radial einwärts” vom zweiten Bauteil ist. Wenn das erste Bauteil dagegen weiter von der Achse entfernt ist als das zweite Bauteil, kann hierin angegeben werden, dass das erste Bauteil „außenliegend” oder „radial auswärts” vom zweiten Bauteil ist. Der Begriff „axial” bezieht sich auf eine zu einer Achse parallele Bewegung oder Position. Und der Begriff „Umfangs-” bezieht sich auf eine Bewegung oder Position um eine Achse. Sofern nicht anders angegeben, werden die Begriffe „radial”, „axial” oder „Umfangs-”, wenn sie verwendet werden, in Bezug auf die zentrale Achse der Turbinenmaschine verwendet.To describe the exemplary embodiments of the present application, several specific descriptive terms may be used. The meaning of these terms includes the following definitions. The terms "downstream" and "upstream" are terms that indicate a direction with respect to the flow of working fluid through the turbine or coolant through a cooling passage, respectively. Accordingly, the term "downstream" means the direction of flow and the term "upstream" means in the direction opposite to the flow. The term "radial" refers to a motion or position that is perpendicular to an axis. Often, parts need to be described that are at different radial positions relative to that axis. In these cases, when a first component is closer to the axis than a second component, it may be stated herein that the first component is "inboard" or "radially inward" from the second component. In contrast, if the first component is farther from the axis than the second component, it may be stated herein that the first component is "outboard" or "radially outward" of the second component. The term "axial" refers to a motion or position parallel to an axis. And the term "perimeter" refers to a movement or position about an axis. Unless otherwise indicated, the terms "radial," "axial," or "circumferential," when used, are used with respect to the central axis of the turbine engine.
Es versteht sich, dass Turbinenschaufeln, die über die Zirkulation eines Kühlmittels in ihrem Inneren gekühlt werden, im typischen Fall einen inneren Kühlgang 116 beinhalten, der von der Wurzel radial auswärts durch die Plattformregion und in das Schaufelblatt verläuft, wie oben in Bezug auf mehrere konventionelle Kühlungsauslegungen beschrieben. Es versteht sich, dass gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit konventionellen Kühlmittelgängen verwendet werden können, um die effiziente aktive Plattformkühlung zu fördern oder zu ermöglichen, und die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit einer beispielhaften üblichen Auslegung besprochen: einem inneren Kühlgang 116 mit einer gewundenen oder geschlängelten Konfiguration. Wie in den 5 und 7 abgebildet, ist der geschlängelte Pfad im typischen Fall so konfiguriert, dass er einen Kühlmittelstrom in nur einer Richtung zulässt, und beinhaltet Merkmale, die den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der umgebenden Laufschaufel 100 fördern. Im Betrieb wird ein unter Druck stehendes Kühlmittel, das gewöhnlich dem Verdichter entnommene Druckluft ist (obwohl auch andere Kühlmitteltypen, wie z. B. Dampf, mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können), dem inneren Kühlgang 116 durch eine durch die Wurzel 104 gebildete Verbindung zugeführt. Der Druck treibt das Kühlmittel durch den inneren Kühlgang 116 und das Kühlmittel nimmt durch Konvektion Wärme aus den umgebenden Wänden auf. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in Laufschaufeln 100 verwendet werden kann, die innere Kühlgänge mit verschiedenen Konfigurationen haben, und nicht auf innere Kühlgänge begrenzt ist, die eine geschlängelte Form haben. Dementsprechend soll der Begriff „innerer Kühlgang” oder „Kühlgang”, wie hierin verwendet, jeden beliebigen Durchgang oder hohlen Kanal einschließen, durch den Kühlmittel in der Laufschaufel zirkulieren kann. Wie hierin vorgesehen, verläuft der beispielhafte innere Kühlgang 116 der vorliegenden Erfindung wenigstens bis auf die ungefähre radiale Höhe der Plattform 116. Es ist zwar nicht abgebildet, es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung einer schaftgespeisten Kühlmittelquelle eingesetzt werden kann, wie der in 3 gezeigten.It is understood that turbine blades cooled by the circulation of a coolant inside them typically have an internal cooling passage 116 which extends from the root radially outward through the platform region and into the airfoil, as described above with respect to several conventional cooling designs. It will be appreciated that certain embodiments of the present invention may be used in conjunction with conventional coolant aisles to facilitate or facilitate efficient active platform cooling, and the present invention will be discussed in connection with an exemplary conventional design: an internal cooling gallery 116 with a meandering or meandering configuration. As in the 5 and 7 Typically, the tortuous path is typically configured to allow coolant flow in one direction only, and includes features that facilitate heat exchange between the coolant and the surrounding blade 100 promote. In operation, pressurized coolant, which is typically compressed air taken from the compressor (though other types of coolant, such as steam, may be used with embodiments of the present invention), is internal coolant 116 through one through the root 104 supplied compound formed. The pressure drives the coolant through the inner cooling passage 116 and the refrigerant absorbs heat from the surrounding walls by convection. It is understood that the present invention in blades 100 can be used, which have internal cooling passages with different configurations, and is not limited to internal cooling passages, which have a meandering shape. Accordingly, as used herein, the term "inner cooling passage" or "cooling passage" is intended to include any passageway or hollow passageway through which coolant may circulate in the blade. As provided herein, the exemplary internal cooling passage is one 116 of the present invention at least to the approximate radial height of the platform 116 , Although not shown, it is to be understood that the present invention may be practiced using a shaft fed coolant source such as that disclosed in U.S. Pat 3 shown.
In den 6 bis 12, auf die jetzt Bezug genommen wird, sind mehrere Ansichten beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt vertiefte geometrische Merkmale oder Taschen, die an den Schlitzseitenwänden der Plattform von Turbinenlaufschaufeln entlang ausgebildet sind. Zu diesen Merkmalen zählt ein Satz Taschen, welche mit den durch die Plattform ausgebildeten inneren Kühlmittelkanälen verbunden sind, die mit Kühlmittel aus inneren Kanälen in der Wurzel der Laufschaufel oder aus dem Schafthohlraum, der zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln gebildet wird, versorgt werden können. Es versteht sich, wie unten ausführlich beschrieben wird, dass die vertieften geometrischen Merkmale der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden können, um das Kühlmittel abzubremsen und zu verlangsamen, knapp bevor das Kühlmittel aus der Plattform ausgestoßen wird, was zur nutzbringenden Verringerung von thermischen Gradienten an der Schlitzseitenwand von Laufschaufeln führen kann.In the 6 to 12 to which reference is now made, several views of exemplary embodiments of the present invention are provided. The present patent application describes recessed geometric features or pockets formed along the slot sidewalls of the platform along turbine blades. These features include a set of pockets which are connected to the inner coolant channels formed by the platform, which can be supplied with coolant from inner channels in the root of the blade or from the shaft cavity formed between two adjacent blades. It will be understood, as will be described in detail below, that the recessed geometric features of the present application can be used to decelerate and decelerate the coolant just prior to expelling the coolant from the platform, thereby beneficially reducing thermal gradients at the slot sidewall of blades can lead.
Die 6 bis 12 veranschaulichen eine Turbinenlaufschaufel 100 mit einer Plattformkühlungskonfiguration 130 gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, beinhaltet die Laufschaufel 100 eine Plattform 110, die an der Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt 102 und einer Wurzel 104 liegt. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Laufschaufel 100 einen inneren Kühlgang 116, der von der Wurzel 104 zur radialen Höhe der Plattform 110 und in diesem Fall in das Schaufelblatt 102 verläuft. Es ist zu erkennen, dass an der Seite der Plattform 110, die einer Druckseite 106 des Schaufelblatts 102 entspricht, die Plattform 110 eine ebene Oberseite 113 haben kann, die von dem Schaufelblatt 102 zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand 126 verläuft. (Es ist zu beachten, dass „eben”, wie hierin verwendet, in etwa oder weitgehend in der Form einer Ebene bedeutet. Zum Beispiel kann ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass Plattformen so gestaltet sein können, dass sie eine außenliegende Oberfläche haben, die leicht gekrümmt und konvex ist, wobei die Krümmung dem Umfang der Turbine an der radialen Position der Laufschaufeln entspricht. Dieser Typ von Plattformgestalt gilt als eben, da der Krümmungsradius groß genug ist, um der Plattform ein flaches Aussehen zu verleihen.)The 6 to 12 illustrate a turbine blade 100 with a platform cooling configuration 130 in accordance with preferred embodiments of the present invention. As shown, the blade includes 100 a platform 110 at the transition point between an airfoil 102 and a root 104 lies. In the exemplary embodiment shown, the blade includes 100 an inner cooling passage 116 that from the root 104 to the radial height of the platform 110 and in this case in the airfoil 102 runs. It can be seen that at the side of the platform 110 that a print page 106 of the airfoil 102 corresponds to the platform 110 a flat top 113 can have that from the airfoil 102 to a pressure-side slot side wall 126 runs. (It should be noted that as used herein, "even" means approximately or substantially in the form of a plane. For example, one of ordinary skill in the art may recognize that platforms may be configured to have an exterior surface that curves slightly and convex, with the curvature corresponding to the circumference of the turbine at the radial position of the blades 10. This type of platform shape is considered flat since the radius of curvature is large enough to give the platform a flat appearance.)
Zu einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, im Inneren der Plattform 110 ausgestaltet, zählen verschiedene Typen hohler Durchgänge, die zur Verteilung von Kühlmittel durch Regionen der Plattform 110 gestaltet sind. Zwar sind auch andere Konfigurationen möglich, in einer bevorzugten Ausführungsform beinhalten diese hohlen Kühlmitteldurchgänge aber einen oder mehrere Zwischenräume 132, einen oder mehrere Verbinder 134 (der den Zwischenraum 132 mit dem inneren Kühlgang 116 verbindet), eine Vielzahl von Kühlkanälen 136, die jeweils an einem Ende von einem der Zwischenräume 132 abzweigen und an dem anderen Ende eine Tasche 144 beinhalten, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 (oder in anderen Ausführungsformen der saugseitigen Schlitzseitenwand 122) entlang positioniert ist. Die Tasche 144 kann eine Öffnung 146 beinhalten, durch welche durch den Kühlkanal strömendes Kühlmittel in die Tasche 144 eintritt.To an exemplary embodiment of the present invention, inside the platform 110 Designed to include various types of hollow passages that allow the distribution of coolant through regions of the platform 110 are designed. While other configurations are possible, in one preferred embodiment, these hollow coolant passages include one or more spaces 132 , one or more connectors 134 (the gap 132 with the inner cooling passage 116 connects), a variety of cooling channels 136 , each at one end of one of the interstices 132 branch off and at the other end a bag 144 include, on the pressure-side slot side wall 126 (or in other embodiments, the suction side slot side wall 122 ) is positioned along. The pocket 144 can an opening 146 include, through which coolant flowing through the cooling passage in the pocket 144 entry.
In gewissen Ausführungsformen ist an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang eine Vielzahl von Taschen 144 verteilt. Wie veranschaulicht, ist jede Tasche 144 im Allgemeinen eine konkave Ausnehmung oder ein schalenartiges Merkmal, die/das in der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 ausgebildet ist. Jede Tasche 144 beinhaltet eine Mündung 148, die mit der Ebene der Schlitzseitenwand 126 komplanar liegt. Wie in 8 gezeigt, kann das Profil der Mündung 148 rechteckig sein, wie gezeigt, andere Formen sind aber möglich. Von der Mündung 148 erstreckt sich die Tasche 144 ein relativ kurzes Stück weit in die Plattform 119 hinein bis zu einer Innenwand 149, die der Mündung 148 entgegengesetzt ist. Die Öffnung 146 kann in der Innenwand 149 der Tasche 144 ausgebildet sein. Die Tasche 144 kann als eine Tiefe aufweisend beschrieben werden, die eine Umfangstiefe der Tasche 144 oder, anders ausgedrückt, den Abstand zwischen der Mündung 148 und der Innenwand 149 beschreibt. Die Tasche 144 kann ferner als eine Höhe aufweisend beschrieben werden, welche die radiale Höhe der Tasche 144 beschreibt. Die Tasche 144 kann ferner als eine Breite aufweisend beschrieben werden, welche die axiale Breite der Tasche 144 beschreibt. In gewissen bevorzugten Ausführungsformen kann die Größe der Tasche 144 (d. h. die Tiefe, Höhe und Breite der Tasche 144) durch ihre jeweilige Beziehung zu der entsprechenden Dimension der Plattform 110 (d. h. der Umfangstiefe bzw. der radialen Höhe bzw. der axialen Breite der Plattform 110) beschrieben werden. Zum Beispiel kann in gewissen bevorzugten Ausführungsformen die Tiefe der Tasche 144 zwischen dem 0,1- und 0,6-fachen der Umfangstiefe der Plattform 110 betragen. Die Höhe der Tasche 144 kann zwischen dem 0,1- und 0,9-fachen der radialen Höhe der Plattform 110 betragen. Und die Breite der Tasche 144 kann zwischen dem 0,1- und 0,4-fachen der axialen Breite der Plattform 110 betragen. In gewissen anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die Tiefe der Tasche 144 zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen der Umfangstiefe der Plattform 110 betragen. Die Höhe der Tasche 144 kann zwischen dem 0,4- und 0,8-fachen der radialen Höhe der Plattform 110 betragen. Und die Breite der Tasche 144 kann zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen der axialen Breite der Plattform 110 betragen.In certain embodiments, on the pressure-side slot side wall 126 along a variety of pockets 144 distributed. As illustrated, every bag is 144 generally a concave recess or shell-like feature in the pressure-side slot sidewall 126 is trained. Every bag 144 includes a muzzle 148 that align with the plane of the slot sidewall 126 komplanar lies. As in 8th shown, the profile of the mouth can 148 be rectangular as shown, but other shapes are possible. From the mouth 148 the bag extends 144 a relatively short distance into the platform 119 into it to an inner wall 149 , the mouth 148 is opposite. The opening 146 can in the inner wall 149 the pocket 144 be educated. The pocket 144 may be described as having a depth that is a perimeter depth of the pocket 144 or, in other words, the distance between the mouth 148 and the inner wall 149 describes. The pocket 144 may also be described as having a height which is the radial height of the pocket 144 describes. The pocket 144 may also be described as having a width which is the axial width of the pocket 144 describes. In certain preferred embodiments, the size of the bag 144 (ie the depth, height and width of the bag 144 ) by their respective relationship to the appropriate dimension of the platform 110 (ie the circumferential depth or the radial height or the axial width of the platform 110 ) to be discribed. For example, in certain preferred embodiments, the depth of the pocket 144 between 0.1 and 0.6 times the circumferential depth of the platform 110 be. The height of the bag 144 can be between 0.1 and 0.9 times the radial height of the platform 110 be. And the width of the bag 144 can be between 0.1 and 0.4 times the axial width of the platform 110 be. In certain other preferred embodiments, the depth of the pocket 144 between 0.2 and 0.3 times the circumferential depth of the platform 110 be. The height of the bag 144 can be between 0.4 and 0.8 times the radial height of the platform 110 be. And the width of the bag 144 can be between 0.2 and 0.3 times the axial width of the platform 110 be.
Wie angegeben, kann die Öffnung 146 einen bedeutend kleineren Strömungsquerschnitt als den Strömungsquerschnitt durch die Tasche 144 und die Mündung 148 haben. In gewissen Ausführungsformen hat die Öffnung 146 einen Strömungsquerschnitt, der zwischen dem 0,1- und 0,6-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung 148 beträgt. In gewissen anderen bevorzugten Ausführungsformen hat die Öffnung 146 einen Strömungsquerschnitt, der zwischen dem 0,2- und 0,4-fachen eines Strömungsquerschnitts der Mündung 148 beträgt. Es versteht sich, dass dieser Typ von Vergrößerung des Strömungsquerschnitts den Kühlmittelstrom während seiner Bewegung von der Öffnung 146 zur Mündung 148 der Tasche 144 verlangsamt.As stated, the opening may be 146 a significantly smaller flow area than the flow area through the pocket 144 and the mouth 148 to have. In certain embodiments, the opening has 146 a flow area of between 0.1 and 0.6 times a flow area of the mouth 148 is. In certain other preferred embodiments, the opening has 146 a flow area of between 0.2 and 0.4 times a flow cross-section of the mouth 148 is. It is understood that this type of enlargement of the flow cross-section the coolant flow during its movement from the opening 146 to the mouth 148 the pocket 144 slowed down.
Wie angegeben, kann die Tasche 144 eine in der Innenwand 149 ausgebildete Öffnung 146 beinhalten. Die Öffnung 149 verbindet die Tasche 144 über den Kühlkanal 136 fluidisch mit einer Kühlmittelversorgung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Öffnung 146 über den Kühlkanal 136 mit dem Zwischenraum 132 verbunden. Es ist zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung mit verschiedenen Typen von Kühlmittelquellen funktionieren kann. Zum Beispiel könnte die Öffnung 146 mit einem Kanal verbunden sein, der Kühlmittel aus einer Quelle im Schafthohlraum erhält, wie in Bezug auf 10 besprochen. Wie veranschaulicht, kann die Öffnung 146 an der Innenwand 149 der Tasche 144 angeordnet sein. Die Mündung 148 hat, wie erkennbar ist, einen größeren Strömungsquerschnitt als die Öffnung 146/der Kühlkanal 136, die die Tasche 144 mit Kühlmittel versorgen. Eine weitere Beschreibungsmöglichkeit für die Tasche 144 ist, dass die Tasche 144 eine Konfiguration beinhaltet, die den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 136 abrupt vergrößert, knapp bevor der Kühlkanal 136 eine der Schlitzseitenwände 122, 126 erreicht.As stated, the bag can 144 one in the inner wall 149 trained opening 146 include. The opening 149 connects the bag 144 over the cooling channel 136 fluidic with a coolant supply. In a preferred embodiment, the opening 146 over the cooling channel 136 with the gap 132 connected. It will be appreciated that the present invention may function with various types of coolant sources. For example, the opening could 146 be connected to a channel that receives coolant from a source in the shaft cavity, as with respect to 10 discussed. As illustrated, the opening may be 146 on the inner wall 149 the pocket 144 be arranged. The estuary 148 has, as can be seen, a larger flow area than the opening 146 / the cooling channel 136 that the bag 144 supply with coolant. Another description for the bag 144 is that bag 144 includes a configuration that the flow cross-section of the cooling channel 136 abruptly enlarged, scarce before the cooling channel 136 one of the slot side walls 122 . 126 reached.
In einigen Ausführungsformen, wie in 10 veranschaulicht, können benachbarte Taschen 144 über einen Tasche/Tasche-Kanal 151 verbunden sein. Der Tasche/Tasche-Kanal 151 ist gestaltet, um die Fluidkommunikation zwischen Taschen 144 zuzulassen. Der Tasche/Tasche-Kanal 151 kann Kühlmittel zu Bereichen größeren Bedarfs leiten. 10 beinhaltet ferner eine Ausführungsform, in der der Kühlkanal 136 die Tasche 144 mit dem Schafthohlraum 119 verbindet. In diesem Fall verläuft ein Kühlkanal 136 von der an der Innenwand 149 der Tasche 144 ausgebildeten Öffnung 146 zu einer an der Unterseite 114 der Plattform 110 positionierten Unterseitenöffnung 155. Wie veranschaulicht, können die Taschen 144 an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang zwischen der Vorderkante 107 und der Hinterkante 108 des Schaufelblatts 102 axial konzentriert sein. In gewissen Ausführungsformen können an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang zwischen vier und acht Taschen ausgebildet sein. Außerdem können auf die gleiche Weise wie oben beschrieben an einem Zwischenraumauslass 133 Taschen 144 ausgebildet sein.In some embodiments, as in 10 illustrated, neighboring bags can 144 over a bag / bag channel 151 be connected. The bag / bag channel 151 is designed to handle fluid communication between bags 144 permit. The bag / bag channel 151 can direct coolant to areas of greater demand. 10 further includes an embodiment in which the cooling channel 136 the pocket 144 with the shaft cavity 119 combines. In this case, a cooling channel runs 136 from the on the inner wall 149 the pocket 144 trained opening 146 to one at the bottom 114 the platform 110 positioned bottom opening 155 , As illustrated, the bags can 144 on the pressure-side slot side wall 126 along between the leading edge 107 and the trailing edge 108 of the airfoil 102 be axially concentrated. In certain embodiments, at the pressure side slot side wall 126 be formed along between four and eight pockets. In addition, in the same way as described above, at a gap outlet 133 Bags 144 be educated.
In einigen Ausführungsformen, wie in 11 veranschaulicht, können Taschen 144 einen die Tasche 144 mit der Oberseite 113 der Plattform 110 verbindenden Ausspeisekanal beinhalten, der hierin als Tasche/Oberseite-Kanal 161 bezeichnet wird. Speziell ist der Tasche/Oberseite-Kanal 161 gestaltet, um die Fluidkommunikation zwischen einer an einer Decke oder außenliegenden Innenfläche der Tasche 144 befindlichen Öffnung und einer an der Oberseite 113 der Plattform 110 ausgebildeten Oberseitenöffnung 163 zuzulassen. Es ist zu erkennen, dass der Tasche/Oberseite-Kanal 161 es zulassen kann, dass ein Teil des durch die Tasche 144 strömenden Kühlmittels für Filmkühlungszwecke zur Oberseite 113 der Plattform 110 umgeleitet wird. Der Tasche/Oberseite-Kanal 161 kann zwar anders ausgerichtet sein, in einer bevorzugten Ausführungsform kann der Tasche/Oberseite-Kanal 161 aber wie veranschaulicht in Stromabwärtsrichtung abgeschrägt sein. Es ist zu erkennen, dass diese Richtungsausrichtung das Kühlmittel auf eine Weise reduziert, die Mischverluste reduziert und auch eine größere Filmkühlungswirksamkeit fördert.In some embodiments, as in 11 illustrated, bags can be 144 one the bag 144 with the top 113 the platform 110 connecting exit channel, herein referred to as pocket / top channel 161 referred to as. Specifically, the bag / top channel 161 designed to allow fluid communication between a on a ceiling or outside inner surface of the bag 144 located opening and one at the top 113 the platform 110 trained top opening 163 permit. It can be seen that the bag / top channel 161 It can allow a part of it through the bag 144 pouring coolant for film cooling purposes to the top 113 the platform 110 is redirected. The bag / top channel 161 may be otherwise oriented, in a preferred embodiment, the bag / top channel 161 but as illustrated be chamfered in the downstream direction. It will be appreciated that this directional orientation reduces the coolant in a manner which reduces mixing losses and also promotes greater film cooling efficiency.
In Bezug auf den Zwischenraum 132 können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen einzelnen Zwischenraum oder mehrere Zwischenräume 132 beinhalten, wie in 7 veranschaulicht. Jeder Zwischenraum 132 kann knapp einwärts von der ebenen Oberseite 113 ausgebildet sein. Wie gezeigt, kann die Vielzahl von Zwischenkammern 132 in gewissen bevorzugten Ausführungsformen in der Druckseite der Plattform 110 bereitgestellt sein. Es ist zu erkennen, dass die hierin beschriebenen Merkmale auch auf der Saugseite der Plattform 110 liegen und ähnlich funktionieren können.In terms of the gap 132 Embodiments of the present invention may have a single gap or more spaces 132 include, as in 7 illustrated. Every gap 132 can be just inland from the flat top 113 be educated. As shown, the plurality of intermediate chambers 132 in certain preferred embodiments in the pressure side of the platform 110 be provided. It will be appreciated that the features described herein are also on the suction side of the platform 110 lie and work similarly.
In einem solchen Fall sind die Taschen 144 an der saugseitigen Schlitzseitenwand 122 entlang angeordnet. Ein Beispiel für diesen Typ von Ausführungsform wird in 12 veranschaulicht. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Zwischenraum 132 in einem vorderen Bereich der Schaufel 100 befindlich sein und ein weiterer kann in einem hinteren Bereich der Schaufel 100 befindlich sein.In such a case, the bags are 144 on the suction-side slot side wall 122 arranged along. An example of this type of embodiment is shown in FIG 12 illustrated. In a preferred embodiment, a gap 132 in a front area of the blade 100 be located and another can be in a rear area of the shovel 100 be located.
Wie in 7 vorgesehen, kann einer der ausgebildeten Zwischenräume 132 in einer weiter vorn liegenden Position als der andere angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Zwischenraum 132 bzw. können die Zwischenräume 132 etwa parallel mit dem hinteren Rand 121 und dem vorderen Rand 124 der Plattform 110 ausgerichtet sein und als lange und relativ schmale und hohle Durchgänge gestaltet sein. Der Zwischenraum 132 oder die Zwischenräume kann/können eine Längsachse haben, die zur ebenen Oberseite 126 der Plattform 110 parallel ist. In gewissen Ausführungsformen erstreckt sich jeder der Zwischenräume 132 von einer inneren Position zu einer Position an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126. Im Allgemeinen können die Zwischenräume 132 zum Bilden einer Versorgungskammer gestaltet sein, von der kleinere innere Kühlmitteldurchgänge (d. h. Kühlkanäle 136) abzweigen. Von jedem Zwischenraum 132 kann eine Vielzahl der Kühlkanäle 136 abzweigen. Die Kühlkanäle 136 können linear und so gestaltet sein, dass sie sich von dem Zwischenraum 132 weg erstrecken. Die Kühlkanäle 136 können eine Tasche 144 beinhalten, die an einer der Schlitzseitenwände ausgebildet ist. Es ist zu erkennen, dass diese Anordnung zur effektiven Verteilung von Kühlmittel in den verschiedenen Regionen der Plattform 110 verwendet werden kann, wie unten ausführlicher besprochen wird.As in 7 provided, one of the trained spaces 132 be arranged in a forward position than the other. In a preferred embodiment, the gap 132 or can the spaces between them 132 approximately parallel to the back edge 121 and the front edge 124 the platform 110 be aligned and designed as long and relatively narrow and hollow passages. The gap 132 or the gaps may have a longitudinal axis leading to the flat top 126 the platform 110 is parallel. In certain embodiments, each of the spaces extends 132 from an inner position to a position on the pressure side slot side wall 126 , In general, the spaces between 132 for forming a supply chamber, from which smaller internal coolant passages (ie cooling channels 136 ) branch off. From every gap 132 Can a variety of cooling channels 136 branch. The cooling channels 136 can be linear and designed to stand out from the gap 132 extend away. The cooling channels 136 can a bag 144 include formed on one of the slot side walls. It can be seen that this arrangement for the effective distribution of coolant in the various regions of the platform 110 can be used as discussed in more detail below.
In gewissen Ausführungsformen erstreckt sich ein Zwischenraum 132 in Richtung auf eine der Schlitzseitenwände und beinhaltet nahe der Schlitzseitenwand einen Zwischenraumauslass 133, der mit einer anderen Tasche 144 verbunden ist, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126, wie in 7 gezeigt, oder der saugseitigen Schlitzseitenwand, wie in 12 gezeigt, ausgebildet ist. In der bevorzugten Ausführungsform von 7 beinhaltet der hintere Zwischenraum 132 einen Zwischenraumauslass oder Auslass 133 an einer hinteren Position der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 und der vordere Zwischenraum 132 kann auch einen Zwischenraumauslass 133 an einer vorderen Position an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 beinhalten. Wie veranschaulicht, kann der Zwischenraumauslass 133 so gestaltet sein, dass er einen Strömungsquerschnitt hat, der kleiner als der Strömungsquerschnitt des Zwischenraums 132 ist. Der Strömungsquerschnitt der Zwischenraumauslässe 133 kann auf diese Weise aufgrund der Notwendigkeit der gleichmäßigen Verteilung von Kühlmittel durch das ganze Innere der Plattform 110 verringert werden. Das heißt, der Zwischenraum 132 kann zum Verteilen von Kühlmittel auf die mehreren Kühlkanäle 136 mit wenig Druckverlust ausgelegt werden. Zu diesem Zweck ist der Strömungsquerschnitt des Zwischenraums 132 im typischen Fall bedeutend größer als der Strömungsquerschnitt der Kühlkanäle 136. Es ist zu erkennen, dass, wenn die Zwischenraumauslässe 133 verglichen mit der Größe des Zwischenraums 132 nicht kleiner wären, eine übermäßige Kühlmittelmenge die Plattform 110 durch den Zwischenraumauslass 133 verlassen würde und die den Kühlkanälen 136 zur Verfügung stehende Kühlmittelversorgung wahrscheinlich unzureichend wäre. Die Zwischenraumauslässe 133 können daher so bemessen sein, dass sie einen Strömungsquerschnitt haben, der einer erwünschten Dosierungscharakteristik entspricht. Eine „erwünschte Dosierungscharakteristik”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen Durchflussbereich durch den Kühlmitteldurchgang, der eine(r) erwünschte(n) Verteilung von Kühlmittel oder eine(r) erwartete(n) Verteilung von Kühlmittel durch die mehreren Kühlmitteldurchgänge und/oder die Auslässe, die an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 entlang ausgebildet sind, entspricht oder ergibt.In certain embodiments, a gap extends 132 toward one of the slot sidewalls and includes a clearance outlet near the slot sidewall 133 that with another bag 144 connected to the pressure-side slot side wall 126 , as in 7 shown, or the suction-side slot side wall, as in 12 shown, is formed. In the preferred embodiment of 7 includes the rear gap 132 a gap outlet or outlet 133 at a rear position of the pressure side slit side wall 126 and the front gap 132 can also have a clearance outlet 133 at a front position on the pressure side slit side wall 126 include. As illustrated, the space outlet 133 be designed so that it has a flow cross-section that is smaller than the flow area of the space 132 is. The flow cross section of the intermediate space outlets 133 This may be due to the need for even distribution of coolant throughout the interior of the platform 110 be reduced. That is, the gap 132 can be used to distribute coolant to the multiple cooling channels 136 be designed with little pressure loss. For this purpose, the flow cross-section of the gap 132 typically significantly larger than the flow area of the cooling channels 136 , It can be seen that when the space outlets 133 compared to the size of the gap 132 not smaller, an excessive amount of coolant the platform 110 through the intermediate space outlet 133 would leave and the the cooling channels 136 available coolant supply would probably be insufficient. The space outlets 133 Therefore, they may be sized to have a flow area corresponding to a desired metering characteristic. A "desirable metering characteristic" as used herein refers to a flow area through the coolant passage that provides a desired distribution of coolant or an expected distribution of coolant through the plurality of coolant passages and / or the outlets at the pressure-side slot side wall 126 are formed along, corresponds or yields.
In einigen Ausführungsformen kann ein Stopfen 138 verwendet werden, um den Strömungsquerschnitt des Zwischenraums 132 zu reduzieren, so dass der Zwischenraumauslass 133 gebildet wird, wie veranschaulicht. Der Stopfen 138 kann so ausgebildet sein, dass er nach dem Einbau den Strömungsquerschnitt durch den Kühlgang, in dem er sich befindet, reduziert. In diesem Fall ist der Stopfen 138 gestaltet, um eine erwünschte Kühlmitteldurchflusshöhe durch den Zwischenraumauslass 133 zuzulassen, wobei der Rest durch alternative Auslässe gezwungen wird. Speziell kann der Stopfen 138 gestaltet sein, um in den Zwischenraum 132 eingesetzt zu werden und seinen Strömungsquerschnitt durch Blockieren eines Teils des Durchflussbereichs durch ihn hindurch zu reduzieren, wodurch der Zwischenraumauslass 133 gebildet wird. Der Stopfen 138 kann so ausgelegt sein, dass er den Durchflussbereich auf einen erwünschten oder vorbestimmten Strömungsquerschnitt reduziert, der mit der Dosierung des Kühlmittels durch die Kühlungskonfiguration in Beziehung steht. In gewissen Ausführungsformen, wie gezeigt, kann der Stopfen 138 mit einem zentralen Kanal ausgebildet sein, so dass er eine ungefähre „Ringform” bildet. Der Stopfen 138 kann aus konventionellen Werkstoffen hergestellt und mithilfe konventioneller Verfahren (z. B. Schweißen, Hartlöten usw.) eingebaut werden. Nach dem Einbau kann die Außenseite des Stopfens 138 mit der Innenwand 149 der Tasche 144 bündig liegen.In some embodiments, a plug may 138 used to control the flow area of the gap 132 reduce, so that the space outlet 133 is formed as illustrated. The stopper 138 can be designed so that it reduces the flow cross-section through the cooling passage in which it is located after installation. In this case, the plug is 138 configured to a desired coolant flow height through the gap outlet 133 allowing the rest to be forced through alternative outlets. Specifically, the plug can 138 be designed to get in the gap 132 to be inserted and reduce its flow area by blocking a portion of the flow area therethrough, whereby the space outlet 133 is formed. The stopper 138 may be configured to reduce the flow area to a desired or predetermined flow area related to the metering of the coolant through the cooling configuration. In certain embodiments, as shown, the plug may 138 be formed with a central channel so that it forms an approximate "ring shape". The stopper 138 can be made from conventional materials and installed using conventional techniques (eg welding, brazing, etc.). After installation, the outside of the plug 138 with the inner wall 149 the pocket 144 lie flush.
Der Verbinder 134, wie gezeigt, kann sich in einer ungefähren Umfangsrichtung zwischen dem Zwischenraum 132 und dem inneren Kühlgang 116 erstrecken. Es ist zu erkennen, dass der Verbinder 134 einen Durchgang bereitstellt, damit eine Kühlmittelmenge von dem inneren Kühlgang 116 zum Zwischenraum 132 strömen kann. In einer Ausführungsform kann der Verbinder 134 etwa parallel zur Vorderkante 124 und zur Hinterkante 121 der Plattform 110 sein.The connector 134 As shown, may be in an approximate circumferential direction between the gap 132 and the inner cooling passage 116 extend. It can be seen that the connector 134 provides a passage for a quantity of coolant from the internal cooling passage 116 to the gap 132 can flow. In an embodiment, the connector 134 approximately parallel to the front edge 124 and to the trailing edge 121 the platform 110 be.
Wie angegeben, können die Kühlkanäle 136 so gestaltet sein, dass jeder von der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 zu einer Verbindung mit dem Zwischenraum 132 verläuft. Wie gezeigt, können die Kühlkanäle 136 linear sein. Die Längsachse der Kühlkanäle 136 kann mit Bezug auf die Längsachse des Zwischenraums 132 abgeschrägt sein. Die Kühlkanäle 136 haben einen kleineren Strömungsquerschnitt als der Zwischenraum 132 und/oder der Verbinder 134. Es ist zu erkennen, dass die Kühlkanäle 136 so gestaltet sein können, dass während des Betriebs jeder Kühlkanal 136 Kühlmittel durch eine an der Schlitzseitenwand ausgebildete Tasche 144 strömen lässt.As stated, the cooling channels can 136 be designed so that each of the pressure side slotted side wall 126 to a connection with the gap 132 runs. As shown, the cooling channels can 136 be linear. The longitudinal axis of the cooling channels 136 can with respect to the longitudinal axis of the gap 132 beveled. The cooling channels 136 have a smaller flow area than the space 132 and / or the connector 134 , It can be seen that the cooling channels 136 can be designed so that during operation each cooling channel 136 Coolant through a formed on the slot side wall bag 144 to flow.
Wie oben erwähnt, können sich die Taschen 144 und die damit in Bezug stehenden inneren Kühlmitteldurchgänge (d. h. der Verbinder 134, der Zwischenraum 132 und die Kühlkanäle 136) an der Saugseite der Plattform 110 befinden. Wie in 12 gezeigt, sind in einem solchen Fall die Taschen 144 an der saugseitigen Schlitzseitenwand 122 entlang angeordnet.As mentioned above, the bags can 144 and the related internal coolant passages (ie, the connector 134 , The gap 132 and the cooling channels 136 ) on the suction side of the platform 110 are located. As in 12 In such a case, the pockets are shown 144 on the suction-side slot side wall 122 arranged along.
Es versteht sich, dass der Zwischenraum 132, der Verbinder 134 und die Kühlkanäle 136 im Betrieb so gestaltet sein können, dass eine Kühlmittelversorgung von dem inneren Kühlgang 116 zu einer Vielzahl von an der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 oder der saugseitigen Schlitzseitenwand 122 entlang ausgebildeten Taschen 144 geleitet wird. Spezieller entnimmt die Plattformkühlanordnung der vorliegenden Erfindung dem inneren Kühlgang 116 oder dem Schafthohlraum 119 einen Teil des Kühlmittels, verwendet das Kühlmittel, um Wärme aus der Plattform 110 abzutransportieren, und stößt dann das Kühlmittel mittels der in der Schlitzseitenwand ausgebildeten Tasche aus. Das auf diese Weise freigesetzte Kühlmittel kühlt den Bereich der Plattform 110, der die Tasche 144 umgibt, ohne die steilen thermischen Gradienten entstehen zu lassen, die mit konventionellen Prall-Freisetzungsmethoden verbunden sind. Wie angegeben, ist diese Region gewöhnlich schwierig zu kühlen und ist angesichts der mechanischen Belastungen des Bereichs eine Stelle, die stark beansprucht wird, besonders auch deshalb, weil Maschinenzündtemperaturen weiter erhöht werden. Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt eine Möglichkeit, wie der Kühlbedarf erfüllt werden kann, während auch der Bildung unerwünschter thermischer Gradienten in den Schlitzseitenwänden der Plattform entgegengewirkt wird. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass dies die Lebensdauer einer Laufschaufel durch Reduzieren der Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl in der Plattformregion verlängert.It is understood that the gap 132 , the connector 134 and the cooling channels 136 may be configured in operation so that a coolant supply from the inner cooling passage 116 to a plurality of pressure side slot side wall 126 or the suction side slot side wall 122 along trained pockets 144 is directed. More specifically, the platform cooling arrangement of the present invention removes the internal cooling passage 116 or the shaft cavity 119 Part of the coolant, the coolant is used to remove heat from the platform 110 carry away, and then ejects the coolant by means of the formed in the slot side wall pocket. The coolant released in this way cools the area of the platform 110 that the bag 144 without giving rise to the steep thermal gradients associated with conventional impact release methods. As indicated, this region is usually difficult to cool and, in view of the mechanical stresses of the area, is a place which is subject to heavy loads, especially because engine ignition temperatures are further increased. The present patent application describes one way in which the cooling requirement can be met while also counteracting the formation of undesirable thermal gradients in the slot sidewalls of the platform. One of ordinary skill in the art will recognize that this extends the life of a blade by reducing low cycle fatigue fatigue in the platform region.
Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf die mehreren beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, ferner selektiv angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um eine gewisse Kürze zu bewahren und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns werden zwar nicht alle möglichen Iterationen bereitgestellt oder ausführlich besprochen, es ist aber vorgesehen, dass alle von den mehreren Ansprüchen unten oder anderweitig umfassten Kombinationen und möglichen Ausführungsformen Teil der vorliegenden Patentanmeldung bilden. Außerdem können fachkundige Personen anhand der obigen Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen erkennen. Es ist auch vorgesehen, dass derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb der Fähigkeiten des Fachgebiets von den angehängten Ansprüchen abgedeckt werden. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das Vorangehende sich nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung bezieht und dass hierin zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Patentanmeldung, wie sie von den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert wird, abzuweichen.Further, as one of ordinary skill in the art appreciates, the many different features and configurations described above with respect to the several exemplary embodiments may be selectively applied to form the other possible embodiments of the present invention. However, to preserve a certain brevity and in the light of the ability of one of ordinary skill in the art, not all possible iterations are provided or discussed in detail, it is intended that all combinations and possible embodiments encompassed by the several claims below or otherwise form part of this application. In addition, those skilled in the art can appreciate improvements, changes and modifications from the above description of several exemplary embodiments of the invention. It is also intended that such improvements, changes and modifications within the skill of the art be covered by the appended claims. Furthermore, it should be apparent that the foregoing relates only to the described embodiments of the present application and that numerous changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the patent application as defined by the following claims and their equivalents. departing.
Eine Plattformkühlanordnung in einer Turbinenlaufschaufel, die an einer Übergangsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einer Wurzel eine Plattform hat. Die Plattform kann eine druckseitige Schlitzseitenwand und eine saugseitige Schlitzseitenwand beinhalten. Die Plattformkühlanordnung kann Folgendes beinhalten: einen im Inneren der Plattform ausgebildeten Kühlkanal, wobei der Kühlkanal von einem ersten Ende in Richtung auf die druckseitige Schlitzseitenwand oder die saugseitige Schlitzseitenwand verläuft. An einem zweiten Ende kann der Kühlkanal eine Tasche beinhalten. Die Tasche kann, knapp bevor der Kühlkanal die Schlitzseitenwand erreicht, eine abrupte Vergrößerung des Strömungsquerschnitts beinhalten.A platform cooling arrangement in a turbine blade having a platform at a transition point between an airfoil and a root. The platform may include a pressure-side slot sidewall and a suction-side slot sidewall. The platform cooling arrangement may include: a cooling passage formed in the interior of the platform, the cooling passage extending from a first end toward the pressure-side slot side wall or the suction-side slot side wall. At a second end, the cooling channel may include a pocket. The pocket may include an abrupt increase in the flow area just before the cooling channel reaches the slot sidewall.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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100100
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TurbinenlaufschaufelTurbine blade
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102102
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Schaufelblattairfoil
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104104
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Wurzelroot
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105105
-
Saugseitesuction
-
106106
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Druckseitepressure side
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107107
-
Vorderkanteleading edge
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108108
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Hinterkantetrailing edge
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109109
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Schwalbenschwanzdovetail
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110110
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Plattformplatform
-
112112
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Schaftshaft
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113113
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PlattformoberseitePlatform top
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114114
-
PlattformunterseitePlatform base
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116116
-
Innerer KühlgangInner cooling passage
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117117
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Einlassinlet
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119119
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Hohlraumcavity
-
120120
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PlattformkühlkanälePlatform cooling channels
-
121121
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Hinterer RandBack edge
-
122122
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Saugseitenrand oder SchlitzseitenwandSuction side edge or slot side wall
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124124
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Vorderer RandFront edge
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126126
-
Druckseitenrand oder SchlitzseitenwandPrint margin or slot sidewall
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128128
-
Druckseite der PlattformPrint side of the platform
-
130130
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PlattformkühlungskonfigurationPlatform cooling configuration
-
132132
-
Zwischenraumgap
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133133
-
ZwischenraumauslassZwischenraumauslass
-
134134
-
VerbinderInterconnects
-
136136
-
Kühlkanalcooling channel
-
138138
-
StopfenPlug
-
144144
-
Schlitzseitenwandtasche oder TascheSlotted sidewall bag or bag
-
146146
-
Öffnungopening
-
148148
-
Mündungmuzzle
-
149149
-
Innenwandinner wall
-
151151
-
Tasche/Tasche-KanalBag / pocket Channel
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155155
-
UnterseitenöffnungBase Opening
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161161
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Tasche/Oberseite-KanalBag / top channel
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163163
-
OberseitenöffnungTop opening
