DE102014103007B4

DE102014103007B4 - Kühlkanäle für Turbinenschaufeln einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102014103007B4
Application number: DE102014103007.9A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Paul Lacy
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: US20140286771A1; DE102014103007A1; US9567859B2; JP2014177943A; CH707844B1; CN203835465U; JP6438662B2; CH707844A2

Abstract

Turbinenschaufel (100, 200) für eine Gasturbine (10), wobei die Turbinenschaufel (100, 200) aufweist:eine Plattform (108, 208);ein sich radial von der Plattform (108, 208) aus erstreckendes Schaufelblatt (104, 204), wobei das Schaufelblatt (104) einen Basisabschnitt (160) und eine sich über dem Basisabschnitt (160) erstreckende Deckschicht (164) aufweist; undeine Anzahl von in dem Schaufelblatt (104, 204) und in der Nähe einer Außenoberfläche (122, 222) des Schaufelblattes (104, 204) definierten Kühlkanälen (120, 220), wobei jeder von den Kühlkanälen (120, 220) einen radial inneren Abschnitt (132, 232) mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen radial äußeren Abschnitt (134, 234) mit einer zweiten Querschnittsfläche aufweist und wobei die erste Querschnittsfläche größer ist als die zweite Querschnittsfläche, wobei jeder von den Kühlkanälen (120) durch eine Rinne (168) definiert ist, die in dem Basisabschnitt (160) ausgebildet ist und über der sich die Deckschicht (164) erstreckt;dadurch gekennzeichnet, dassdie Deckschicht (164) eine erste Dicke (ti) über dem radial inneren Abschnitt (132) und eine zweite Dicke (to) über dem radial äußeren Abschnitt (134) hat, wobei die erste Dicke (ti) größer als die zweite Dicke (to) ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent betreffen im Wesentlichen Gasturbinen und betreffen insbesondere Kühlkanäle für Turbinenschaufeln einer Gasturbine, um eine verbesserte Kühlung bei hohen Betriebstemperaturen bereitzustellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einer Gasturbine strömen heiße Verbrennungsgase aus einem oder mehreren Brennern durch ein Übergangsstück und entlang eines Heißgaspfades. Eine Anzahl von Turbinenstufen sind typischerweise der Reihe nach entlang des Heißgaspfades angeordnet, sodass die Verbrennungsgase durch Leitschaufeln einer ersten Stufe und Laufschaufeln und anschließend durch Leitschaufeln und Laufschaufeln späterer Stufen der Turbine strömen. Auf diese Weise sind die Turbinenschaufeln hohen Temperaturen ausgesetzt, die sich aus den entlang des Heißgaspfades strömenden Verbrennungsgasen ergeben. Da der Wirkungsgrad einer Gasturbine von ihren Betriebstemperaturen abhängig ist, besteht eine ständige Notwendigkeit, dass entlang des Heißgaspfades angeordnete Komponenten, wie z.B. Turbinenschaufeln, zunehmend höheren Temperaturen ohne Ausfall oder Verkürzung der Betriebslebensdauer widerstehen können.
Bestimmte Turbinenschaufeln, insbesondere diejenigen späterer Turbinenstufen, können eine Anzahl von Kühllöchern enthalten, die sich radial durch die Turbinenschaufeln erstrecken. Auf diese Weise können die Kühllöcher ein Kühlfluid, wie z.B. Luft, durch die Turbinenschaufel zum Austausch von Wärme führen, um die Temperatur der Turbinenschaufel innerhalb eines zulässigen Bereiches zu halten. Gemäß einer bekannten Kühllochgestaltung kann die Turbinenschaufel eine Anzahl langer gerader Kühllöcher enthalten, die durch elektrolytische Bearbeitung mit einer Bohrröhre, welche ansonsten als „STEM-Bohren“ bekannt ist, erzeugt werden. Obwohl eine derartige Anordnung eine angemessene Kühlung für die Turbinenschaufel in bestimmten Anwendungen bereitstellen kann, sind durch herkömmliches STEM-Bohren hergestellte Kühllöcher auf einen geraden Pfad durch die Turbinenschaufel beschränkt. Demzufolge ist die dreidimensionale Gestalt der Turbinenschaufel ebenfalls aufgrund der Notwendigkeit einer Aufnahme der sich radial dadurch hindurch erstreckenden geraden Kühllöcher beschränkt. Ferner haben die durch STEM-Bohren erzeugten geraden Kühllöcher einen konstanten Durchmesser, und sie genügen somit nicht der Variation in den Kühlungserfordernissen entlang der radialen Länge der Turbinenschaufel. Insbesondere kann als Folge des konstanten Durchmessers eine unerwünschte Wärmemenge an das Kühlfluid übertragen werden, bevor es einen Spitzenbereich der Turbinenschaufel erreicht, wo der Kühlbedarf größer ist.
US 3 656 863 A offenbart eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine und ein Kühlsystem für eine Heißgaspfadoberfläche einer Gasturbine mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10.
JP 2009-167 934 A und EP 2 743 454 A1 offenbaren jeweils eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, die eine Plattform, ein sich radial von der Plattform aus erstreckendes Schaufelblatt und eine Anzahl von in dem Schaufelblatt und in der Nähe einer Außenoberfläche des Schaufelblattes definierten Kühlkanälen enthält. Jeder von den Kühlkanälen enthält einen radial inneren Abschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen radial äußeren Abschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche, wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist.
GB 803 650 A offenbart eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, das eine Basisabschnitt und eine über dem Basisabschnitt aufgespritzte Deckschicht aufweist, die in dem Basisabschnitt ausgebildete, radial verlaufende Rinnen verschließt, die als Kühlkanäle zur Kühlung der Schaufelblattoberfläche dienen.
Somit besteht weiterhin ein Wunsch nach einer verbesserten Turbinenschaufel mit einer Kühlkonfiguration, die hohen Temperaturen entlang des Heißgaspfades einer Gasturbine widersteht. Insbesondere kann eine derartige Kühlkonfiguration ermöglichen, dass die Turbinenschaufel verschiedene komplexe dreidimensionale Gestalten oder eine Verdrehung für eine verbesserte Aerodynamik hat. Eine derartige Kühlkonfiguration kann auch den Variationen im Kühlbedarf entlang der radialen Länge der Turbinenschaufel für eine effiziente Kühlung genügen. Schließlich kann eine derartige Kühlkonfiguration die Menge an Luftstrom verringern, die zum Kühlen der Turbinenschaufel erforderlich ist, während gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine erhöht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen somit eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine bereit. Die Turbinenschaufel enthält eine Plattform, ein sich radial von der Plattform aus erstreckendes Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt einen Basisabschnitt und eine sich über dem Basisabschnitt erstreckende Deckschicht aufweist, und eine Anzahl von in dem Schaufelblatt und in der Nähe einer Außenoberfläche des Schaufelblattes definierten Kühlkanälen. Jeder von den Kühlkanälen enthält einen radial inneren Abschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen radial äußeren Abschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche, wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist. Jeder von den Kühlkanälen ist durch eine Rinne definiert, die in dem Basisabschnitt ausgebildet ist und über der sich die Deckschicht erstreckt. Die Deckschicht hat eine erste Dicke über dem radial inneren Abschnitt und eine zweite Dicke über dem radial äußeren Abschnitt, wobei die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist.
Wenigstens einer von den Kühlkanälen der vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann mehr als einen radial äußeren Abschnitt aufweisen.
Wenigstens einer von den Kühlkanälen von jeder vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann einen radial dazwischenliegenden Abschnitt aufweisen, der sich zwischen dem radial inneren Abschnitt und dem wenigstens einen radial äußeren Abschnitt erstreckt, wobei der wenigstens eine radial dazwischenliegende Abschnitt eine dritte Querschnittsfläche haben kann und wobei die dritte Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche und kleiner als die erste Querschnittsfläche ist.
Die Rinne jeder vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann einen im Wesentlichen rechteckig geformten Querschnitt aufweisen.
Wenigstens einer von den Kühlkanälen jeder vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann sich radial entlang der Außenoberfläche des Schaufelblattes von der Plattform bis zu einem oder mehreren Auslässen erstrecken, die in einem Spitzendeckband der Turbinenschaufel definiert sind.
Wenigstens einer von den Kühlkanälen jeder vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann sich radial entlang der Außenoberfläche des Schaufelblattes von der Plattform bis zu einem oder mehreren Auslässen erstrecken, die in der Außenoberfläche des Schaufelblattes definiert und zwischen der Plattform und einem Spitzendeckband der Turbinenschaufel positioniert sind.
Die Turbinenschaufel jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner einen Schaft, der sich radial von der Plattform aus und von dem Schaufelblatt weg erstreckt, und wenigstens einen in dem Schaft definierten Zuführungskanal aufweisen, wobei der Zuführungskanal mit einem oder mehreren von den Kühlkanälen an einer Verbindungsstelle in Verbindung stehen kann.
Der Zuführungskanal jeder vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann in direkter Verbindung mit einem oder mehreren von den radial inneren Abschnitten an der Verbindungsstelle stehen, und die Verbindungsstelle kann in der Plattform positioniert sein.
Der Zuführungskanal jeder vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann mit einem oder mehreren von den radial inneren Abschnitten an der Verbindungsstelle in direkter Verbindung stehen, und die Verbindungsstelle kann in dem Schaufelblatt zwischen der Plattform und einem Spitzendeckband der Turbinenschaufel positioniert sein.
Der Zuführungskanal jeder vorstehend erwähnten Turbinenschaufel kann eine vierte Querschnittsfläche haben, und die vierte Querschnittsfläche kann größer als die erste Querschnittsfläche sein.
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen ferner ein Verfahren zum Kühlen einer Turbinenschaufel bereit, die in einer Gasturbine eingesetzt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte der Leitung eines Kühlfluidstroms in wenigstens einen in einem Schaft der Turbinenschaufel definierten Zuführungskanal, der Durchleitung des Kühlfluidstroms durch eine Anzahl von in einem Schaufelblatt der Turbinenschaufel und in der Nähe einer Außenoberfläche des Schaufelblattes definierten Kühlkanälen und der Leitung des Kühlfluidstroms aus der Turbinenschaufel heraus und in einen Heißgaspfad der Gasturbine hinein. Das Schaufelblatt weist einen Basisabschnitt und eine sich über dem Basisabschnitt erstreckende Deckschicht auf. Jeder von den Kühlkanälen enthält einen radial inneren Abschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche und einen radial äußeren Abschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche enthalten, wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist. Jeder von den Kühlkanälen ist durch eine Rinne definiert, die in dem Basisabschnitt ausgebildet ist und über der sich die Deckschicht erstreckt. Die Deckschicht hat eine erste Dicke über dem radial inneren Abschnitt und eine zweite Dicke über dem radial äußeren Abschnitt, wobei die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist.
Das Verfahren kann beinhalten, dass wenigstens einer von den Kühlkanälen mehr als einen einzigen radial äußeren Abschnitt aufweist.
Jedes von den vorstehend erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass sich wenigstens einer von den Kühlkanälen radial entlang der Außenoberfläche des Schaufelblattes von einer Plattform der Turbinenschaufel zu einem oder mehreren in einem Spitzendeckband der Turbinenschaufel definierten Auslässen erstreckt.
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen ferner eine Kühlsystem für eine Heißgaspfadoberfläche einer Gasturbine bereit. Das Kühlsystem enthält: eine Heißgaspfadkomponente, die ein Schaufelblatt aufweist, das einen Basisabschnitt und eine sich über dem Basisabschnitt erstreckende Deckschicht aufweist; mehrere in der Heißgaspfadkomponente und in der Nähe einer Außenoberfläche der Heißgaspfadkomponente definierte Kühlkanäle, wobei jeder von den Kühlkanälen einen ersten Abschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche aufweist, wobei der wenigstens eine zweite Abschnitt sich von dem ersten Abschnitt aus erstreckt und wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist, wobei jeder von den Kühlkanälen durch eine Rinne definiert ist, die in dem Basisabschnitt ausgebildet ist und über der sich die Deckschicht erstreckt. Die Deckschicht hat eine erste Dicke über dem ersten Abschnitt und eine zweite Dicke über dem zweiten Abschnitt, wobei die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist.
Die Kühlkanäle jedes vorstehend erwähnten Kühlsystems können sich radial entlang der Heißgaspfadkomponente erstrecken, wobei der erste Abschnitt einen radial inneren Abschnitt aufweisen kann und wobei der wenigstens eine zweite Abschnitt wenigstens einen radial äußeren Abschnitt aufweisen kann.
Die Kühlkanäle jedes vorstehend erwähnten Kühlsystems können sich axial entlang der Heißgaspfadkomponente erstrecken, wobei der erste Abschnitt einen axial stromabwärtigen Abschnitt aufweisen kann und wobei der wenigstens eine zweite Abschnitt wenigstens einen axial stromaufwärtigen Abschnitt aufweisen kann.
Die Heißgaspfadkomponente jedes vorstehend erwähnten Kühlsystems kann eine Leitschaufel aufweisen, wobei sich die Kühlkanäle radial entlang der Leitschaufel erstrecken.
Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung werden für den Fachmann nach Durchsicht der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit einem Verdichter, einem Brenner und einer Turbine.
2 ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes einer Turbine, wie sie in der Gasturbine von 1 verwendet werden kann, die eine Anzahl von Turbinenstufen darstellt.
3 ist eine Vorderseitendraufsicht auf eine bekannte Turbinenschaufel, wie sie in der Turbine von 2 verwendet werden kann, die eine Anzahl von Kühllöchern darstellt, die durch verdeckte Linien veranschaulicht werden.
4 ist eine Draufsicht auf die Turbinenschaufel von 3.
5 ist eine Vorderseitendraufsicht auf eine Ausführungsform einer Turbinenschaufel, wie sie hierin beschrieben werden kann, die eine Anzahl von Kühllöchern darstellt, die durch verdeckte Linien veranschaulicht werden.
6 ist eine Vorderseitendraufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Turbinenschaufel, wie sie hierin beschrieben werden kann, die eine Anzahl von Kühllöchern darstellt, die durch verdeckte Linien veranschaulicht werden.
7 ist eine Querschnittsdraufsicht auf einen Abschnitt einer Turbinenschaufel, wie sie hierin beschrieben werden kann, die einen in der Turbinenschaufel definierten Kühlkanal darstellt.
8 ist eine Querschnittsdraufsicht auf einen Abschnitt einer Turbinenschaufel, wie sie hierin beschrieben werden kann, die einen in der Turbinenschaufel definierten Kühlkanal darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine 10 dar, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet einen ankommenden Luftstrom 20. Der Verdichter 15 liefert den verdichteten Luftstrom 20 an einen Brenner 25. Der Brenner 25 mischt den verdichteten Luftstrom 20 mit einem unter Druck stehenden Brennstoffstrom 30 und verbrennt das Gemisch, um einen Strom von Verbrennungsgasen 35 zu erzeugen. Obwohl nur ein einziger Brenner 25 dargestellt ist, kann die Gasturbine 10 eine beliebige Anzahl von Brennern 25 enthalten. Der Strom der Verbrennungsgase 35 wird dann an eine Turbine 40 geliefert. Der Strom der Verbrennungsgase 35 treibt die Turbine 40 an, um so mechanische Arbeit zu erzeugen. Die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit treibt den Verdichter 15 über eine Welle 45 und eine externe Last 50, wie z.B. einen elektrischen Generator und dergleichen, an. Weitere Ausgestaltungen und weitere Komponenten können hierin verwendet werden.
Die Gasturbine 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas und/oder andere Arten von Brennstoffen nutzen. Die Gasturbine 10 kann eine von einer Anzahl unterschiedlicher Gasturbinen sein, die von General Electric Company of Schenectady, New York angeboten werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, solchen einer Hochleistungs-Gasturbine der Serie 7 und 9 und dergleichen. Die Gasturbine 10 kann unterschiedliche Anordnungen haben, und kann andere Komponententypen verwenden. Weitere Arten von Gasturbinen können ebenfalls hierin verwendet werden. Mehrere Gasturbinen, andere Arten von Turbinen und andere Arten von Stromerzeugungstechnik können ebenfalls hierin verwendet werden. Obwohl die Gasturbine 10 hierin dargestellt ist, ist die vorliegende Anmeldung auf jede Art von Turbomaschine anwendbar.
2 stellt eine schematische Ansicht eines Abschnittes der Turbine 40 mit einer Anzahl von Stufen 52 dar, die in einem Heißgaspfad 54 der Gasturbine 10 positioniert sind. Eine erste Stufe 56 kann eine Anzahl von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Leitschaufeln 58 und Laufschaufeln 60 einer ersten Stufe enthalten. Ebenso kann eine zweite Stufe 62 eine Anzahl von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneter Leitschaufeln 64 und Laufschaufeln 66 einer zweiten Stufe enthalten. Ferner kann eine dritte Stufe 68 eine Anzahl von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneter Leitschaufeln 70 und Laufschaufeln 72 einer dritten Stufe enthalten. Obwohl der Abschnitt der Turbine 40 mit drei Stufen 52 dargestellt ist, kann die Turbine 40 eine beliebige Anzahl von Stufen 52 enthalten.
3 stellt eine Vorderseitendraufsicht auf eine der Laufschaufeln 66 der zweiten Stufe 62 der Turbine 40 dar. Wie bekannt, kann die Laufschaufel 66 ein Schaufelblatt 76, einen Schaft 78 und eine Plattform 80 enthalten, die zwischen dem Schaufelblatt 76 und dem Schaft 78 angeordnet ist. Das Schaufelblatt 76 kann sich radial von der Plattform 80 zu einer an einem Spitzenende 84 der Laufschaufel 66 positionierten Spitze 82 erstrecken. Das Spitzendeckband 82 kann in einem Stück mit dem Schaufelblatt 76 ausgebildet sein. Der Schaft 78 kann sich radial von der Plattform 80 zu einem Fußende 86 der Laufschaufel 66 dergestalt erstrecken, dass die Plattform 80 im Wesentlichen eine Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt 76 und dem Schaft 78 definiert. Wie dargestellt, kann die Plattform 80 so ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen eben und im Wesentlichen horizontal ist, wenn die Laufschaufel 66 in der Turbine 40 zum Einsatz positioniert ist. Der Schaft 78 kann zum Definieren einer Fußstruktur, wie z.B. eines Schwalbenschwanzes, ausgebildet sein, der dafür gestaltet ist, die Laufschaufeln 66 an einer Turbinenscheibe der Turbine 40 zu befestigen. Während des Betriebs der Gasturbine 10 wandert der Strom der Verbrennungsgase 35 entlang des Heißgaspfades 54 und über die Plattform 80, welche die radial innere Begrenzung des Heißgaspfades 54 ausbildet. Demzufolge ist der Strom der Verbrennungsgase 35 gegen das Schaufelblatt 76 der Laufschaufel 66 gerichtet und somit sind die Oberflächen des Schaufelblattes 76 sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.
Gemäß Darstellung in den 3 und 4 kann die Laufschaufel 66 eine Anzahl von (als verdeckte Linien dargestellten) Kühllöchern 88 enthalten, die in dem Schaufelblatt 76 definiert sind. Jedes Kühlloch 88 kann sich radial aus der Plattform 80 zu einem in dem Spitzendeckband 82 an dem Spitzenende 84 der Laufschaufel 66 definierten Auslass 90 erstrecken. Die Kühllöcher 88 können durch herkömmliches STEM-Bohren hergestellt sein und können somit im Wesentlichen eine runde Querschnittsform und einen konstanten Durchmesser entlang der Länge der Kühllöcher 88 haben. Die Laufschaufel 66 kann auch eine Anzahl von (verdeckten Linien dargestellten) Zuführungslöchern 92 enthalten, die in dem Schaft 78 definiert sind. Jedes Zuführungsloch 92 kann sich radial von einem in dem Schaft 78 an dem Fußende 86 der Laufschaufel 66 definierten Einlass 94 zu der Plattform 80 erstrecken. Gemäß Darstellung kann jedes Zuführungsloch 92 in direkter Verbindung mit einem der Kühllöcher 88 an einer in der Plattform 80 positionierten Verbindungsstelle 96 stehen. Die Zuführungslöcher 92 können ebenfalls durch herkömmliches STEM-Bohren hergestellt sein und haben somit im Wesentlichen einen runden Querschnitt und einen konstanten Durchmesser entlang der Länge der Zuführungslöcher 92. Während des Betriebs der Gasturbine 10 kann ein Kühlfluid, wie z.B. Zapfluft, aus dem Verdichter 15 in die Zuführungslöcher 92 mittels der Einlässe 94 geleitet werden und kann anschließend die Kühllöcher 88 passieren und die Laufschaufel 66 über die Auslässe 90 verlassen. Demzufolge kann Wärme aus der Laufschaufel 66 und insbesondere dem Schaufelblatt 76 auf das Kühlfluid während des Durchlaufs durch die Kühllöcher 88 übergehen und wird dann in den Heißgaspfad 54 an dem Spitzendende 84 der Laufschaufel 66 geleitet.
5 stellt eine Vorderseitendraufsicht auf eine Ausführungsform einer Turbinenschaufel 100 dar, wie sie hierin beschrieben sein kann. Die Laufschaufel 100 kann in einer späteren Stufe, wie z.B. der zweiten Stufe 62 der Turbine 40, der Gasturbine 10 verwendet werden. In einer ähnlichen Weise kann die Laufschaufel 100 in der dritten Stufe 68 oder jeder anderen Stufe der Turbine 40 verwendet werden. Die Laufschaufel 100 kann ein Schaufelblatt 104, einen Schaft 106 und eine zwischen dem Schaufelblatt 104 und dem Schaft 106 angeordnete Plattform 108 enthalten. Das Schaufelblatt 104 kann sich radial aus der Plattform 108 zu einer an einem Spitzenende 114 der Laufschaufel 100 positionierten Spitzendeckband 112 erstrecken. Das Spitzendeckband 112 kann in einem Stück mit dem Schaufelblatt 104 ausgebildet sein. Der Schaft 106 kann sich radial abwärts von der Plattform 108 zu einem Fußende 118 der Laufschaufel 100 dergestalt erstrecken, dass die Plattform 108 im Wesentlichen eine Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt 104 und dem Schaft 106 definiert. Wie dargestellt, kann die Plattform 108 so ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen eben und im Wesentlichen horizontal ist, wenn die Laufschaufel 100 in der Turbine 40 zum Einsatz positioniert ist. Der Schaft 106 kann so geformt sein, dass er eine Fußstruktur, wie z.B. einen Schwalbenschwanz definiert, der zum Befestigen der Laufschaufel 100 an einer Turbinenscheibe der Turbine 40 gestaltet ist. Weitere Anordnungen des Schaufelblattes 104, des Schaftes 106 und der Plattform 108 können verwendet werden.
Gemäß Darstellung in 5 kann die Laufschaufel 100 eine Anzahl von (durch verdeckte Linien dargestellten) Kühlkanälen 120 enthalten, die in dem Schaufelblatt 104 in der Nähe einer Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 definiert sind. Die Kühlkanäle 120 können sich radial entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 von der Plattform 108 zu dem Spitzenende 114 der Laufschaufel 100 erstrecken. Insbesondere können sich einer oder mehrere Kühlkanäle 120 radial entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 von der Plattform 108 zu einem oder mehreren in dem Spitzendeckband 112 an dem Spitzenende 114 der Laufschaufel 100 definierten Auslässen 126 erstrecken. Zusätzlich können sich einer oder mehrere Kühlkanäle 120 radial entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 und zu radial zwischen der Plattform 108 und dem Spitzendeckband 112 definierten Auslässen 128 erstrecken. In einer gleichen Ausführungsform können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 jeweils radial entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 von der Plattform 108 zu einem oder mehreren irgendwo entlang der Laufschaufel 100 definierten Auslässen erstrecken. Beispielsweise können sich in bestimmten Aspekten einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 radial zu einem oder mehreren durch ein oder mehrere Durchtrittslöcher entlang des Schaufelblattes 104 definierten Auslässen erstrecken. In einigen Aspekten können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 radial entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 erstrecken und der Kontur der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 folgen. In weiteren Aspekten können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 axial entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 zu einem oder mehreren in dem Schaufelblatt 104 definierten Auslässen erstrecken. Beispielsweise können sich in bestimmten Aspekten einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 axial zu einem oder mehreren Auslässen erstrecken, die durch eines oder mehrere entlang des Schaufelblattes positionierte Durchtrittslöcher definiert sind. In noch weiteren Aspekten können jeweils einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 axial umkehren, um ein Serpentinenmuster oder ein beliebiges anderes Muster zum Optimieren der Kühlung der Laufschaufel 100 auszubilden. In einigen Aspekten können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 zu einem oder mehreren Auslässen erstrecken, die durch eines oder mehrere entlang der Hinterkante des Schaufelblattes 104 positionierte Durchtrittslöcher definiert sind.
Einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 können jeweils eine Querschnittsfläche haben, die entlang der radialen Länge des Kühlkanals 120 variiert. Die Querschnittsfläche des Kühlkanals 120 kann allmählich in einer sich verjüngenden Weise entlang der radialen Länge des Kühlkanals 120 variieren. Alternativ kann die Querschnittsfläche des Kühlkanals 120 plötzlich in einer stufenartigen Weise entlang der radialen Länge des Kühlkanals variieren, wie es in 5 dargestellt ist. Insbesondere können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 eine Querschnittsfläche in der Nähe der Plattform 108 haben, die größer als eine Querschnittsfläche des Kühlkanals 120 in der Nähe des Spitzenendes 114 der Laufschaufel 100 ist.
In einigen Aspekten können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 jeweils einen radial inneren Abschnitt 132 mit einer Querschnittsfläche haben, die entlang der radialen Länge des radial inneren Abschnittes 132 konstant ist, und einen radial äußeren Abschnitt 134 mit einer zweiten Querschnittsfläche, die entlang der radialen Länge des radial äußeren Abschnittes 134 konstant ist. In derartigen Aspekten kann die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche sein. Der radial innere Abschnitt 132 kann mit dem radial äußeren Abschnitt 134 an einer Verbindungsstelle 136, die zwischen der Plattform 108 und dem Spitzenende 114 der Laufschaufel 100 positioniert ist, in direkter Verbindung stehen.
Alternativ können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 einen radial dazwischenliegenden Abschnitt 138 enthalten, der zwischen dem radial inneren Abschnitt 132 und dem radial äußeren Abschnitt 134 positioniert ist. In bestimmten Aspekten kann der radial dazwischenliegende Abschnitt 138 eine dritte Querschnittsfläche haben, die entlang der radialen Länge des radial dazwischenliegenden Abschnittes 138 konstant ist. In derartigen Aspekten kann die dritte Querschnittsfläche kleiner als die erste Querschnittsfläche und größer als die zweite Querschnittsfläche sein. Der radial dazwischenliegende Abschnitt 138 kann mit dem radial inneren Abschnitt 132 an einer Verbindungsstelle 142 und in direkter Verbindung mit dem radial äußeren Abschnitt 134 an einer Verbindungsstelle 144 in direkter Verbindung stehen. Wie dargestellt, kann jede von den Verbindungsstellen 136, 142, 144 zwischen den verschiedenen Abschnitten 132, 134, 138 einen stufenartigen Übergang von einer Querschnittsfläche auf eine andere Querschnittsfläche haben. Alternativ kann jede von den Verbindungsstellen 136, 142, 144 zwischen den verschiedenen Abschnitten 132, 134, 138 einen sich verjüngenden Übergang von einer Querschnittsfläche auf eine andere Querschnittsfläche haben. Andere Anordnungen können verwendet werden, in welchen einer oder mehrere Kühlkanäle jeweils zusätzliche radial in Abstand angeordnete dazwischenliegende Abschnitte enthalten können, die zwischen dem radial inneren Abschnitt 132 und dem radial äußeren Abschnitt 134 positioniert sind, wobei jeder zusätzliche radial in Abstand angeordnete dazwischenliegende Abschnitt eine bestimmte und unterschiedliche Querschnittsfläche hat.
Gemäß Darstellung in 5 können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 jeweils eine Anzahl radial äußerer Abschnitte 134 in direkter Verbindung mit dem radial inneren Abschnitt 132 an der Verbindungsstelle 136 haben. Auf diese Weise definiert der Kühlkanal 120 eine Baum-artige Form, wodurch die radial äußeren Abschnitte 134 von dem radial inneren Abschnitt 132 an der Verbindungsstelle 136 an der Verbindungsstelle 136 abzweigen. In bestimmten Aspekten kann die erste Querschnittsfläche des radial inneren Abschnittes 132 größer als die zweite Querschnittsfläche von jedem von den radial äußeren Abschnitten 134 sein. In gleicher Weise können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 jeweils eine Anzahl radial dazwischenliegender Abschnitte 138 in direkter Verbindung mit dem radial inneren Abschnitt 132 an der Verbindungsstelle 142 haben, die eine verzweigte Baum-artige Form ausbildet. In einigen Aspekten kann die erste Querschnittsfläche des radial inneren Abschnittes 132 größer als die dritte Querschnittsfläche von jedem von den radial dazwischenliegenden Abschnitten 138 sein. Ferner können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 jeweils eine Anzahl radial äußerer Abschnitte 134 in direkter Verbindung mit einem von dem radial dazwischenliegenden Abschnitt 138 an der Verbindungsstelle 144 haben, was ebenfalls eine Baum-artige Form ausbildet. In bestimmten Aspekten kann die dritte Querschnittsfläche des radial dazwischenliegenden Abschnittes 138 größer als die zweite Querschnittsfläche von jedem von den radial äußeren Abschnitten 134 sein. Andere Anordnungen können verwendet werden, in welchen einer oder mehrere Kühlkanäle jeweils zusätzliche radial in Abstand angeordnete dazwischenliegende Abschnitte enthalten können, die zwischen dem radial inneren Abschnitt 132 und dem radial äußeren Abschnitt 134 positioniert sind, wobei jeder zusätzliche radial in Abstand angeordnete dazwischenliegende Abschnitt eine bestimmte und unterschiedliche Querschnittsfläche hat.
Die Laufschaufel 100 kann auch einen oder mehrere (durch verdeckte Linien dargestellte) Zuführungskanäle 148 enthalten, die in der Laufschaufel 100 definiert sind. Gemäß Darstellung in 5 können sich der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 148 radial von einem in dem Schaft 106 an dem Fußende 118 der Laufschaufel 100 definierten Einlass 152 zu der Plattform 108 erstrecken. Der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 148 können sich jeweils in direkter Verbindung mit einem oder mehreren der Kühlkanäle 120 an der Verbindungsstelle 154 befinden, die in der Plattform 108 definiert ist. Insbesondere können der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 148 jeweils in direkter Verbindung mit einem oder mehreren von den radial inneren Abschnitten 132 an der Verbindungsstelle 154 stehen. In einigen Aspekten können der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 148 jeweils eine vierte Querschnittsfläche haben, die entlang der radialen Länge des Zuführungskanals 148 konstant ist. In derartigen Aspekten kann die vierte Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche von jedem des einen oder der mehreren radial inneren Abschnitte 132 sein.
6 ist eine Vorderseitendraufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer hierin beschriebenen Turbinenschaufel 200. Die Laufschaufel 200 enthält verschiedene Elemente, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Laufschaufel 100 beschriebenen entsprechen, wobei diese Elemente in 6 mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet sind und hierin nicht detaillierter beschrieben werden. Die Laufschaufel 200 kann in einer späteren Stufe, wie z.B. der zweiten Stufe 62 der Turbine 40 der Gasturbine 10 verwendet werden. In ähnlicher Weise kann die Laufschaufel 200 in der dritten Stufe 68 oder jeder anderen Stufe der Turbine 40 verwendet werden.
Gemäß Darstellung in 6 kann die Laufschaufel 200 eine Anzahl von (mittels verdeckter Linien dargestellten) Kühlkanälen 220 enthalten, die in dem Schaufelblatt 204 in der Nähe der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 definiert sind. Die Kühlkanäle 220 können sich radial entlang der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 aus einer Position in der Nähe der Plattform 208 zu dem Spitzenende 214 der Laufschaufel 200 erstrecken. Insbesondere können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 jeweils radial entlang der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 aus der Position in der Nähe der Plattform 208 zu einem oder mehreren Auslässen 226 erstrecken, die in einem Spitzendeckband 212 an dem Spitzenende 214 der Laufschaufel 200 definiert sind. Zusätzlich können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 radial entlang der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 aus der Position in der Nähe der Plattform 208 zu einem oder mehreren Auslässen 228 erstrecken, die in der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 definiert und radial zwischen der Plattform 208 und dem Spitzendeckband 212 positioniert sind. In einigen Aspekten können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 einen oder mehrere radial innere Abschnitte 232 und einen oder mehrere radial äußere Abschnitte 234 enthalten, die den vorstehend unter Bezugnahme auf die Laufschaufel 100 beschriebenen Elementen entsprechen. In gleicher Weise können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 jeweils radial entlang der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 von der Plattform 208 zu einem oder mehreren irgendwo entlang der Laufschaufel 200 definierten Auslässen erstrecken. In einigen Aspekten können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 radial entlang der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 erstrecken und der Kontur der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 folgen. In weiteren Aspekten können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 jeweils axial entlang der Außenoberfläche 222 des Schaufelblattes 204 erstrecken. Beispielsweise können sich in bestimmten Aspekten einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 axial zu einem oder mehreren Auslässen erstrecken, die durch eines oder mehrere entlang des Schaufelblattes 204 positionierte Durchtrittslöcher definiert sind. In noch weiteren Aspekten können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 in axialer Richtung umkehren oder Serpentinenmuster oder irgendein anderes Muster zum Optimieren der Kühlung der Laufschaufel 200 ausbilden. In derartigen Aspekten können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 jeweils zu einem oder mehreren Auslässen erstrecken, die durch eines oder mehrere entlang der Hinterkante des Schaufelblattes 204 positionierte Durchgangslöcher definiert sind.
Die Laufschaufel 200 kann einen oder mehrere (mittels verdeckter Linien dargestellte) Zuführungskanäle 248 enthalten, die in der Laufschaufel 200 definiert sind. Gemäß Darstellung in 6 können sich der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 248 jeweils radial von einem in dem Schaft 206 an dem Fußende 218 der Laufschaufel 200 definierten Einlass 252 zu der Position in der Nähe der Plattform 208 erstrecken. Auf diese Weise können sich der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 248 jeweils durch den Schaft 206 hindurch und in das Schaufelblatt 204 erstrecken. Der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 248 können jeweils in direkter Verbindung mit einem oder mehreren von den Kühlkanälen 220 an der in dem Schaufelblatt 204 positionierten Verbindungsstelle 254 stehen. Insbesondere können der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 248 in direkter Verbindung mit einem oder mehreren von den radial inneren Abschnitten 232 an der Verbindungsstelle 254 stehen. In einigen Aspekten können der eine oder die mehreren Zuführungskanäle 248 eine vierte Querschnittsfläche haben, die entlang der radialen Länge des Zuführungskanals 248 konstant ist. In derartigen Aspekten kann die vierte Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche von jedem von dem einen oder den mehreren radial inneren Abschnitten 232 sein. Weitere Anordnungen können verwendet werden, in welcher einer oder mehrere von den Kühlkanälen 220 jeweils zusätzliche radial in Abstand angeordnete dazwischenliegende Abschnitte enthalten kann, die zwischen dem radial inneren Abschnitt 232 und dem radial äußeren Abschnitt 234 positioniert sind, wobei jeder zusätzliche radial in Abstand angeordnete dazwischenliegende Abschnitt eine bestimmte und unterschiedliche Querschnittsfläche hat.
7 stellt eine Querschnittsdraufsicht auf einen Abschnitt der Turbinenschaufel 100 entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 dar, welche den Aufbau von einem der radial inneren Abschnitte 132 von einem der Kühlkanäle 120 veranschaulicht. Das Schaufelblatt 104 kann einen Basisabschnitt 160 und eine sich über den Basisabschnitt 160 erstreckende Deckschicht 164 enthalten. Auf diese Weise bildet die Deckschicht 164 die Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104. Gemäß Darstellung kann der Kühlkanal 120 durch den Basisabschnitt 160 und die Deckschicht 164 des Schaufelblattes 104 definiert sein. Insbesondere kann der Kühlkanal 120 durch eine in dem Basisabschnitt 160 ausgebildete Rinne 168 und über welche sich die Deckschicht 164 erstreckt, definiert sein. Die Rinne 168 kann einen im Wesentlichen rechteckig geformten Querschnitt haben, wie es dargestellt ist, obwohl die Rinne 168 alternativ mit einem Querschnitt mit anderen Formen ausgestaltet sein kann. Zusätzlich kann die Rinne 168 abgerundete Ecken enthalten. Entlang des radial inneren Abschnittes 132 des Kühlkanals 120 kann die Rinne 168 eine Breite w_i und eine Tiefe d_i haben. Ferner kann entlang des radial inneren Abschnittes 132 des Kühlkanals 120 die Deckschicht 164 eine Dicke t_i haben. Die Dicke t_i kann entlang der radialen Länge des radial inneren Abschnittes 132 konstant bleiben, was zu einem konstanten Abstand zwischen der Rinne 168 und der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 führt. Alternativ kann die Dicke t_i entlang der radialen Länge des radial inneren Abschnittes 132 variieren, was zu einem variierenden Abstand zwischen der Rinne 168 und der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 führt. Obwohl die Größe des Nenndurchmessers des Kühlkanals 120 innerhalb eines breiten Bereiches von Grö-ßen liegen kann, kann in bestimmten Ausführungsformen der Nenndurchmesser bevorzugt innerhalb von 0,25 mm (0,010 Inches) und 7,62 mm (0,30 Inches) liegen. Zusätzlich können die Kühlkanäle 120 ein Steigungs/Nenndurchmesser-Verhältnis haben, das für größere Kühlkanäle 120 größer als 1 ist, und das für kleinere Kühlkanäle 120 zwischen 3 und 10 liegen kann.
8 stellt eine Querschnittsdraufsicht auf einen Abschnitt der Turbinenschaufel 100 entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 dar, welche den Aufbau von einem der radial äußeren Abschnitte 134 von einem der Kühlkanäle 120 veranschaulicht. Entlang des radial äußeren Abschnittes 134 des Kühlkanals 120 kann die Rinne 168 eine Breite w_o und eine Tiefe d_o haben. Ferner kann die Deckschicht 164 entlang des radial äußeren Abschnittes 134 des Kühlkanals eine Dicke t_o haben. Die Dicke t_o kann entlang der radialen Länge des radial äußeren Abschnittes 134 konstant bleiben, was zu einem konstanten Abstand zwischen der Rinne 168 und der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 führt. Alternativ kann die Dicke t₀ entlang der radialen Länge des radial äußeren Abschnittes 134 variieren, was zu einem variierenden Abstand zwischen der Rinne 168 und der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 führt. Wie vorstehend beschrieben, kann die erste Querschnittsfläche des radial inneren Abschnittes 132 des Kühlkanals 120 größer als die zweite Querschnittsfläche des radial äußeren Abschnittes 134 des Kühlkanals 120 sein. Zusätzlich kann die Dicke t_i des radial inneren Abschnittes 132 des Kühlkanals 120 größer als die Dicke t_o des radial äußeren Abschnittes 134 des Kühlkanals 120 sein. Wie vorstehend angemerkt kann, obwohl die Größe des Nenndurchmessers des Kühlkanals 120 in einem breiten Bereich von Größen liegen kann, in bestimmten Ausführungsformen kann der Nenndurchmesser bevorzugt innerhalb von 0,25 mm (0,010 Inches) und 7,62 mm (0,30 Inches) liegen. Zusätzlich können die Kühlkanäle 120 ein Steigungs/Nenndurchmesser-Verhältnis haben, das für größere Kühlkanäle 120 größer als 1 ist, und das für kleinere Kühlkanäle 120 zwischen 3 und 10 liegen kann.
Die Kühlkanäle 120 der Turbinenschaufel 100 können mittels einer Vielzahl von Verfahren ausgebildet werden. In bestimmten Aspekten kann die Rinne 168 des Kühlkanals 120 in dem Basisabschnitt 160 des Schaufelblattes 104 durch Fräsen, Drahterodieren (Wire-EDM), Fräserodieren (Milled-EDM), Senkerodieren (Plunge-EDM), Wasserstrahlschneiden, Laserschneiden oder Gie-ßen ausgebildet werden. Weitere Verfahren zum Ausbilden der Rinne 168 können verwendet werden. Nach der Ausbildung der Rinne 168 kann die Deckschicht 164 über der Rinne 168 in einer Weise ausgebildet werden, die bewirkt, dass die Deckschicht 164 eng an dem Basisabschnitt 160 anhaftet. In einigen Aspekten kann die Deckschicht 164 eine dünne Folie oder ein Blech beinhalten, das an dem Basisabschnitt 160 hartgelötet oder geschweißt ist. In weiteren Aspekten kann die Deckschicht 164 eine Sprühbeschichtung enthalten, die die Rinne 168 überbrückt und sich mit dem Basisabschnitt 160 verbindet. Weitere Verfahren zum Ausbilden der Deckschicht 164 können verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Auslass 126, 128 des Kühlkanals 120 durch Bohren, Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden ausgebildet werden. Weitere Verfahren zum Ausbilden des Auslasses 126, 128 können angewendet werden. Die Zuführungskanäle 148 der Turbinenschaufel 100 können auch durch eine Vielzahl von Verfahren ausgebildet werden. In bestimmten Aspekten können die Zuführungskanäle 148 in dem Schaft 106 und der Plattform 108 durch Bohren, STEM-Bohren, Fräsen, Drahterodieren, Fräserodieren, Senkerodieren, Wasserstrahlschneiden, Laserschneiden oder Gießen ausgebildet werden. Weitere Verfahren zur Ausbildung der Zuführungskanäle 148 können angewendet werden. Jede Kombination der vorstehenden Verfahren kann zum Erzeugen unterschiedlicher Kühlkanäle 120, Auslässe 126, 128 und Zuführungskanäle 148 verwendet werden.
Während des Betriebs der die Turbinenschaufel 100 enthaltenden Gasturbine 100 kann ein Kühlfluid, wie z.B. Zapfluft aus dem Verdichter 15, in die Zuführungskanäle 148 über die Einlässe 152 geführt werden. Das Kühlfluid kann anschließend die Kühlkanäle 120 passieren und die Laufschaufel 100 über die Auslässe 126, 128 verlassen. Demzufolge kann Wärme aus der Laufschaufel 100 und insbesondere aus dem Schaufelblatt 104 an das Kühlfluid während dessen Durchlauf durch die Kühlkanäle 120 übergehen und wird dann in den Heißgaspfad 54 an dem Spitzenende 114 der Laufschaufel 100 geleitet. Innerhalb der Kühlkanäle 120 kann das Kühlfluid die radial inneren Abschnitte 132 und die radial äußeren Abschnitte 134 passieren, was eine Übertragung von Wärme aus der Laufschaufel 100 an das Kühlfluid mit unterschiedlichen Raten ermöglicht.
Die radial inneren Abschnitte 132 und die radial äußeren Abschnitte 134 der Kühllöcher 120 können zum Optimieren der Wärmeübertragung aus der Laufschaufel 100, und insbesondere aus dem Schaufelblatt 104 an das Kühlfluid gestaltet sein. Da die Kühlungserfordernisse in Richtung des Spitzenendes 114 der Laufschaufel 100 größer sind, kann die erste Querschnittsfläche von jedem der radial inneren Abschnitt 132 größer als die zweite Querschnittsfläche von jedem der radial äußeren Abschnitte 134 sein. Demzufolge kann die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlfluid und der Laufschaufel 100 entlang der radial inneren Abschnitte 132 minimiert werden. In gleicher Weise kann die vierte Querschnittsfläche von jedem der Zuführungskanäle 148 größer als die erste Querschnittsfläche von jedem der radial inneren Abschnitte 132 sein, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlfluid und der Laufschaufel 100 entlang der Zuführungskanäle 148 zu minimieren. Zusätzlich kann die Deckschicht 164 eine erste Dicke t_i über den radial inneren Abschnitten 132 und eine zweite Dicke t_o über den radial äußeren Abschnitten 134 haben. Die erste Dicke t_i kann größer als die zweite Dicke t_o sein, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlfluid und der Laufschaufel 100 entlang der radial inneren Abschnitte 132 weiter zu minimieren. Wie vorstehend angemerkt, kann eine oder mehrere von der ersten Dicke t_i und der zweiten Dicke t_o entlang der radialen Länge des entsprechenden radial inneren Abschnittes 132 oder des radial äu-ßeren Abschnittes 134 variieren.
Die hierin beschriebene Turbinenschaufel 100 stellt somit eine verbesserte Kühlungsanordnung bereit, um den hohen Temperaturen entlang des Heißgaspfades 54 der Gasturbine 10 zu widerstehen. Die Laufschaufel 100 kann eine Anzahl von Kühlkanälen 120 enthalten, die jeweils eine Querschnittsfläche haben, die entlang der radialen Länge des Kühlkanals 120 variiert. Insbesondere können einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 einen oder mehrere radial innere Abschnitte 132 mit einer ersten Querschnittsfläche und einen oder mehreren radial äußeren Abschnitten 134 mit einer zweiten Querschnittsfläche haben, die so gestaltet ist, dass die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche sein kann. Auf diese Weise können die Kühlkanäle 120 der Variation in dem Kühlbedarf entlang der radialen Länge der Laufschaufel 100 für eine effiziente Kühlung genügen. Alternativ können sich einer oder mehrere von den Kühlkanälen 120 axial entlang der Außenoberfläche des Schaufelblattes 104 erstrecken, können axial umkehren oder können ein Serpentinenmuster oder ein beliebiges anderes Muster zum Optimieren der Kühlung der Laufschaufel 100 ausbilden. Demzufolge können die Kühlkanäle 120 die Menge des zum Kühlen der Laufschaufel 100 benötigten Luftstroms verringern, während gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine 10 erhöht wird. Ferner können die Kühlkanäle 120 der Laufschaufel 100 ermöglichen, verschiedene komplexe dreidimensionale Formen oder eine Verdrehung anzunehmen, da die Kühlkanäle 120 entlang der Außenoberfläche 122 des Schaufelblattes 104 ausgebildet werden können. Auf diese Weise kann das Schaufelblatt 104 für eine verbesserte Aerodynamik ohne Berücksichtigung einer Aufnahme von Kühllöchern mit einer geraden Verlaufsbahn gestaltet werden.
Obwohl die vorstehend präsentierten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf eine Laufschaufel 100, 200 dargestellt und beschrieben wurden, dürfte es sich verstehen, dass ähnliche Anordnungen eines Kühlkanals 120, 220 bei jeder Komponente in oder entlang des Heißgaspfades der Gasturbine 10 verwendet werden können, wie z.B. bei einer Leitschaufel oder einem Deckband. Ferner dürfte es sich verstehen, dass, obwohl die vorstehend präsentierten Ausführungsformen mit Kühlkanälen 120, 220 dargestellt und beschrieben werden, die sich radial innerhalb der Laufschaufel 100, 200 erstrecken, dass sich die Kühlkanäle 120, 220 axial entlang der Laufschaufel erstrecken können, axial umkehren können oder ein Serpentinenmuster oder ein beliebiges anderes Muster oder eine Kombination davon ausbilden können, um die Kühlung der Laufschaufel 100, 200 zu optimieren.
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine bereit. Die Turbinenschaufel kann eine Plattform, ein sich radial aus der Plattform erstreckendes Schaufelblatt und eine Anzahl von in dem Schaufelblatt und in der Nähe einer Außenoberfläche des Schaufelblattes definierten Kühlkanälen enthalten. Jeder von den Kühlkanälen kann einen radial inneren Abschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen radial äußeren Abschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche enthalten, wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche sein kann. Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen ferner ein Verfahren zum Kühlen einer in einer Gasturbine verwendeten Turbinenschaufel bereit.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Gasturbine
15: Verdichter
20: Luftstrom
25: Brenner
30: Brennstoffstrom
35: Verbrennungsgasstrom
40: Turbine
45: Welle
50: externe Last
52: Turbinenstufen
54: Heißgaspfad
56: erste Stufe
58: Leitschaufeln der ersten Stufe
60: Laufschaufeln der ersten Stufe
62: zweite Stufe
64: Leitschaufeln der zweiten Stufe
66: Laufschaufeln der zweiten Stufe
68: dritte Stufe
70: Leitschaufeln der dritten Stufe
72: Laufschaufeln der dritten Stufe
76: Schaufelblatt
78: Schaft
80: Plattform
82: Spitzendeckband
84: Spitzenende
86: Fußende
88: Kühllöcher
90: Auslässe
92: Zuführungslöcher
94: Einlässe
96: Verbindungsstelle
100: Turbinenschaufel
104: Schaufelblatt
106: Schaft
108: Plattform
112: Spitzendeckband
114: Spitzenende
118: Fußende
120: Kühlkanäle
122: Außenoberfläche
126: Auslässe
128: Auslässe
132: radial innerer Abschnitt
134: radial äußerer Abschnitt
136: Verbindungsstelle
138: radial dazwischenliegender Abschnitt
142: Verbindungsstelle
144: Verbindungsstelle
148: Zuführungskanäle
152: Einlass
154: Verbindungsstelle
160: Basisabschnitt
164: Deckschicht
168: Rinne
200: Turbinenschaufel
204: Schaufelblatt
206: Schaft
208: Plattform
212: Spitzendeckband
214: Spitzenende
218: Fußende
220: Kühlkanäle
222: Außenoberfläche
226: Auslässe
228: Auslässe
232: radial innerer Abschnitt
234: radial äußerer Abschnitt
236: Verbindungsstelle
248: Zuführungskanäle
252: Einlass
254: Verbindungsstelle

Claims

Turbinenschaufel (100, 200) für eine Gasturbine (10), wobei die Turbinenschaufel (100, 200) aufweist: eine Plattform (108, 208); ein sich radial von der Plattform (108, 208) aus erstreckendes Schaufelblatt (104, 204), wobei das Schaufelblatt (104) einen Basisabschnitt (160) und eine sich über dem Basisabschnitt (160) erstreckende Deckschicht (164) aufweist; und eine Anzahl von in dem Schaufelblatt (104, 204) und in der Nähe einer Außenoberfläche (122, 222) des Schaufelblattes (104, 204) definierten Kühlkanälen (120, 220), wobei jeder von den Kühlkanälen (120, 220) einen radial inneren Abschnitt (132, 232) mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen radial äußeren Abschnitt (134, 234) mit einer zweiten Querschnittsfläche aufweist und wobei die erste Querschnittsfläche größer ist als die zweite Querschnittsfläche, wobei jeder von den Kühlkanälen (120) durch eine Rinne (168) definiert ist, die in dem Basisabschnitt (160) ausgebildet ist und über der sich die Deckschicht (164) erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (164) eine erste Dicke (t_i) über dem radial inneren Abschnitt (132) und eine zweite Dicke (t_o) über dem radial äußeren Abschnitt (134) hat, wobei die erste Dicke (t_i) größer als die zweite Dicke (t_o) ist.
Turbinenschaufel (100, 200) nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer von den Kühlkanälen (120, 220) mehr als einen einzigen radial äußeren Abschnitt (134, 234) aufweist; und/oder wobei wenigstens einer von den Kühlkanälen (120) einen radial dazwischenliegenden Abschnitt (138) aufweist, der sich zwischen dem radial inneren Abschnitt (132) und dem wenigstens einen radial äußeren Abschnitt (134) erstreckt, wobei der wenigstens eine radial dazwischenliegende Abschnitt (138) eine dritte Querschnittsfläche hat, und wobei die dritte Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche und kleiner als die erste Querschnittsfläche ist.
Turbinenschaufel (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die Rinne (168) im Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Turbinenschaufel (100, 200) nach Anspruch 1, wobei sich wenigstens einer von den Kühlkanälen (120, 220) radial entlang der Außenoberfläche (122, 222) des Schaufelblattes (104, 204) von der Plattform (108, 208) bis zu einem oder mehreren in einem Spitzendeckband (112, 212) der Turbinenschaufel (100, 200) definierten Auslässen (126, 226) erstreckt.
Turbinenschaufel (100, 200) nach Anspruch 1 oder 4, wobei sich wenigstens einer von den Kühlkanälen (120, 220) radial entlang der Außenoberfläche (122, 222) des Schaufelblattes (104, 204) von der Plattform (108, 208) bis zu einem oder mehreren in der Außenoberfläche (122, 222) des Schaufelblattes (104, 204) definierten und zwischen der Plattform (108, 208) und einem Spitzendeckband (112, 212) der Turbinenschaufel (100, 209) positionierten Auslässen (128, 228) erstreckt.
Turbinenschaufel (100, 200) nach Anspruch 1, die ferner einen sich radial von der Plattform (108, 208) aus und von dem Schaufelblatt (104, 204) weg erstreckenden Schaft (106, 206) und wenigstens einen in dem Schaft (106, 206) definierten Zuführungskanal (148, 248) aufweist, wobei der Zuführungskanal (148, 248) mit einem oder mehreren von den Kühlkanälen (120, 220) an einer Verbindungsstelle (154, 254) in Verbindung steht.
Turbinenschaufel (100, 200) nach Anspruch 6, wobei der Zuführungskanal (148, 248) mit einem oder mehreren von den radial inneren Abschnitten (132, 232) an der Verbindungsstelle (154, 254) in direkter Verbindung steht, und wobei die Verbindungsstelle (154) in der Plattform (108) positioniert ist; und/oder wobei der Zuführungskanal (148, 248) in direkter Verbindung mit einem oder mehreren von den radial inneren Abschnitten (132, 232) an der Verbindungsstelle (154, 254) steht, und wobei die Verbindungsstelle (254) in dem Schaufelblatt (204) zwischen der Plattform (208) und einem Spitzendeckband (226) der Turbinenschaufel (200) positioniert ist; und/oder wobei der Zuführungskanal (148, 248) eine vierte Querschnittsfläche hat, und wobei die vierte Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist.
Verfahren zum Kühlen einer in einer Gasturbine (10) eingesetzten Turbinenschaufel (100, 200), das aufweist: Leiten eines Kühlfluidstroms in wenigstens einen in einem Schaft (106, 206) der Turbinenschaufel (100, 200) definierten Zuführungskanal (148, 248); Durchleiten des Kühlfluidstroms durch mehrere in einem Schaufelblatt (104, 204) der Turbinenschaufel (100, 200) und in der Nähe einer Außenoberfläche (122, 222) des Schaufelblattes (104, 204) definierte Kühlkanäle (120, 220), wobei das Schaufelblatt (104) einen Basisabschnitt (160) und eine sich über dem Basisabschnitt (160) erstreckende Deckschicht (164) aufweist, wobei jeder von den Kühlkanälen (120, 220) einen radial inneren Abschnitt (132, 232) mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen radial äußeren Abschnitt (134, 234) mit einer zweiten Querschnittsfläche aufweist, und wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist, wobei jeder von den Kühlkanälen (120) durch eine Rinne (168) definiert ist, die in dem Basisabschnitt (160) ausgebildet ist und über der sich die Deckschicht (164) erstreckt, wobei die Deckschicht (164) eine erste Dicke (t_i) über dem radial inneren Abschnitt (132) und eine zweite Dicke (t_o) über dem radial äußeren Abschnitt (134) hat und wobei die erste Dicke (t_i) größer als die zweite Dicke (t_o) ist; und Leiten des Kühlfluidstroms aus der Turbinenschaufel (100, 200) heraus und in einen Heißgaspfad (54) der Turbine (10) hinein.
Kühlsystem für eine Heißgaspfadoberfläche einer Gasturbine (10), wobei das Kühlsystem aufweist: eine Heißgaspfadkomponente, die ein Schaufelblatt (104) aufweist, das einen Basisabschnitt (160) und eine sich über dem Basisabschnitt (160) erstreckende Deckschicht (164) aufweist; mehrere in der Heißgaspfadkomponente und in der Nähe einer Außenoberfläche (122) der Heißgaspfadkomponente definierte Kühlkanäle (120), wobei jeder von den Kühlkanälen (120) einen ersten Abschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche und wenigstens einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche aufweist, wobei der wenigstens eine zweite Abschnitt sich von dem ersten Abschnitt aus erstreckt und wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist, wobei jeder von den Kühlkanälen (120) durch eine Rinne (168) definiert ist, die in dem Basisabschnitt (160) ausgebildet ist und über der sich die Deckschicht (164) erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (164) eine erste Dicke (t_i) über dem ersten Abschnitt und eine zweite Dicke (t_o) über dem zweiten Abschnitt hat, wobei die erste Dicke (t_i) größer als die zweite Dicke (t_o) ist.
Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei sich die Kühlkanäle (120) radial entlang der Heißgaspfadkomponente erstrecken, wobei der erste Abschnitt einen radial inneren Abschnitt (132) aufweist und wobei wenigstens ein zweiter Abschnitt wenigstens einen radial äußeren Abschnitt (134) aufweist; und/oder wobei sich die Kühlkanäle axial entlang der Heißgaspfadkomponente erstrecken, wobei der erste Abschnitt einen axial stromabwärtigen Abschnitt aufweist und wobei der wenigstens eine zweite Abschnitt wenigstens einen axial stromaufwärtigen Abschnitt aufweist; und/oder wobei die Heißgaspfadkomponente eine Leitschaufel aufweist und wobei sich die Kühlkanäle entlang der Leitschaufel erstrecken.