-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Turbinenlaufschaufel für einen Turbinenabschnitt einer Gasturbine. Insbesondere umfasst diese Erfindung ein Kühlen der Turbinenlaufschaufel.
-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Eine typische Gasturbine enthält einen Einlassabschnitt, einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Auslassabschnitt. Der Einlassabschnitt reinigt und konditioniert ein Arbeitsfluid (z.B. Luft) und liefert das Arbeitsfluid zu dem Verdichterabschnitt. Der Verdichterabschnitt erhöht zunehmend den Druck des Arbeitsfluids und liefert ein verdichtetes Arbeitsfluid zu dem Verbrennungsabschnitt. Das verdichtete Arbeitsfluid wird mit einem Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, vermischt, um ein brennbares Gemisch bereitzustellen.
-
Das brennbare Gemisch wird in eine innerhalb eines Brennraums definierte Verbrennungszone injiziert, wo es verbrannt wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen. Die Verbrennungsgase werden durch einen Heißgaspfad, der im Inneren der Brennkammer definiert ist, in den Turbinenabschnitt geleitet. Es wird thermische und kinetische Energie von den Verbrennungsgasen auf aufeinanderfolgende Stufen von Turbinenlaufschaufeln übertragen, die mit einem Laufrad oder einer Rotorscheibe gekoppelt sind, das bzw. die mit einer Welle gekoppelt ist, wodurch die Welle veranlasst wird, umzulaufen und Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann die Welle einen Generator antreiben, um Elektrizität zu erzeugen.
-
Turbinenlaufschaufeln enthalten gewöhnlich einen Schaufelblattabschnitt, einen Montage- oder Wurzelabschnitt und einen hohlen Basis- oder Schaftabschnitt, der sich radial zwischen dem Wurzelabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt erstreckt. Der Montageabschnitt enthält im Allgemeinen eine Schwalbenschwanzeinrichtung zur Sicherung der Turbinenlaufschaufel an der Rotorscheibe. Zwischen dem Schaft und dem Schaufelblatt ist ein im Wesentlichen rechteckiger Plattformabschnitt angeordnet. Die Plattform enthält im Wesentlichen eine untere oder kalte Seite und eine obere oder heiße Seite, wobei die heiße Seite unmittelbar den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist. Das Schaufelblatt erstreckt sich im Wesentlichen radial nach außen von der heißen Seite der Plattform aus.
-
Hohe Verbrennungsgastemperaturen innerhalb des Turbinenabschnitts entsprechen im Wesentlichen einer größeren thermischen und kinetischen Energieübertragung zwischen den Verbrennungsgasen und den Turbinenlaufschaufeln wodurch die gesamte Leistungsabgabe der Gasturbine verbessert wird. Jedoch können die hohen Verbrennungsgastemperaturen zu einer Erosion, zum Kriechen und/oder zur niederzyklischen Ermüdung an den Turbinenlaufschaufeln führen, wodurch die Haltbarkeit der Turbinenlaufschaufeln begrenzt ist. Folglich würden weitere Verbesserungen bei den Kühlschemas für eine Turbinenlaufschaufel und Verfahren zur Kühlung der Turbinenlaufschaufel nützlich sein.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung erläutert oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Turbinenlaufschaufel. Die Turbinenlaufschaufel enthält einen Montageabschnitt, der teilweise einen Kühlkreislauf im Inneren der Turbinenlaufschaufel definiert, einen Schaufelblattabschnitt, der sich von dem Montageabschnitt aus radial nach außen erstreckt und weiter den Kühlkreislauf definiert, und einen Plattformabschnitt, der radial zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt angeordnet ist. Der Plattformabschnitt enthält eine untere Wand, eine obere Wand, eine vordere Wand, eine hintere Wand und ein Paar gegenüberliegender Seitenwände. Die Turbinenlaufschaufel enthält ferner ein Kühlplenum, das innerhalb des Plattformabschnitts definiert ist. Das Kühlplenum definiert weiter den Kühlkreislauf. Das Kühlplenum ist wenigstens teilweise zwischen der vorderen Wand, der hinteren Wand sowie zwischen dem Paar gegenüberliegender Seitenwände innerhalb des Plattformabschnitts definiert.
-
Die Turbinenlaufschaufel kann ferner einen Schaftabschnitt aufweisen, der sich zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt erstreckt, wobei der Schaftabschnitt wenigstens teilweise im Inneren des Kühlplenums eingeschlossen ist.
-
Die Turbinenlaufschaufel einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Auslass aufweisen, der sich durch eine der gegenüberliegenden Seitenwände erstreckt, wobei der Auslass für eine Fluidübertragung aus dem Kühlplenum heraus sorgt.
-
Die Turbinenlaufschaufel einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Auslass aufweisen, der sich durch die untere Wand erstreckt, wobei der Auslass für eine Fluidübertragung aus dem Kühlplenum heraus sorgt.
-
Die obere Wand einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenlaufschaufel kann ferner eine Innenseite aufweisen, die im Innern des Kühlplenums angeordnet ist, wobei die Turbinenlaufschaufel ferner eine Prallplatte aufweisen kann, die sich im Innern des Kühlplenums im Wesentlichen parallel zu der Innenseite erstreckt, wobei die Prallplatte eine erste Kühlkammer und eine zweite Kühlkammer im Innern des Kühlplenums definieren kann.
-
Die Prallplatte einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenlaufschaufel kann mehrere Prallkühllöcher enthalten, die für eine Fluidübertragung zwischen der ersten Kühlkammer und der zweiten Kühlkammer sorgen.
-
Die Turbinenlaufschaufel einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner eine oder mehrere Trennwände aufweisen, die sich zwischen der unteren Wand und der Prallplatte im Innern des Kühlplenums im Wesentlichen in der Nähe wenigstens einer von der vorderen Wand, der hinteren Wand oder einer Seitenwand von dem Paar gegenüberliegender Seitenwände erstrecken.
-
Die Turbinenlaufschaufel einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein oder mehrere Prallkühllöcher aufweisen, die sich durch die Trennwand erstrecken, wobei die Prallkühllöcher mit der ersten Kühlkammer in Fluidübertragungsverbindung stehen.
-
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Turbinenabschnitt einer Gasturbine. Der Turbinenabschnitt enthält eine Rotorwelle und eine Rotorscheibe, die mit der Rotorwelle verbunden ist. Die Rotorscheibe enthält einen Schlitz und definiert einen Kühlströmungsauslass, der sich durch den Schlitz erstreckt. Der Turbinenabschnitt enthält ferner eine Turbinenlaufschaufel, die sich von der Rotorscheibe aus radial nach außen erstreckt. Die Turbinenlaufschaufel weist einen Montageabschnitt auf, der innerhalb des Schlitzes angeordnet ist, einen Schaufelblattabschnitt, der sich von dem Montageabschnitt aus radial nach außen erstreckt, einen Kühlkreislauf, der sich zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt erstreckt. Der Kühlkreislauf steht in Fluidübertragungsverbindung mit dem Kühlströmungsauslass. Die Turbinenlaufschaufel enthält ferner einen Plattformabschnitt, der radial zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt angeordnet ist. Der Plattformabschnitt enthält eine untere Wand, eine obere Wand, eine vordere Wand, eine hintere Wand und ein Paar gegenüberliegender Seitenwände. Die Turbinenlaufschaufel enthält ferner ein Kühlplenum, das innerhalb des Plattformabschnitts definiert ist. Das Kühlplenum definiert weiter den Kühlkreislauf. Das Kühlplenum ist wenigstens teilweise zwischen der vorderen Wand, der hinteren Wand sowie zwischen dem Paar gegenüberliegender Seitenwände innerhalb des Plattformabschnitts definiert.
-
Der Turbinenabschnitt kann ferner einen oder mehrere Auslässe aufweisen, die für eine Fluidübertragung durch eine oder mehrere von dem Paar gegenüberliegender Seitenwände, der oberen Wand, der vorderen Wand oder der hinteren Wand sorgen.
-
Der Turbinenabschnitt einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Auslass aufweisen, der sich durch die untere Wand erstreckt, wobei der Auslass für eine Fluidübertragung aus der ersten Kühlkammer heraus zu der Rotorscheibe hin sorgt.
-
Die obere Wand eines beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenabschnitts kann eine Innenseite enthalten, die im Innern des Kühlplenums angeordnet ist, wobei die Turbinenlaufschaufel ferner eine Prallplatte aufweisen kann, die sich im Innern des Kühlplenums im Wesentlichen parallel zu der Innenseite erstreckt, wobei die Prallplatte eine erste Kühlkammer und eine zweite Kühlkammer im Innern des Kühlplenums definieren kann.
-
Die Prallplatte eines beliebigen vorstehend erwähnten Turbinenabschnitts kann mehrere Prallkühllöcher enthalten, die für eine Fluidübertragung zwischen der ersten Kühlkammer und der zweiten Kühlkammer sorgen, um eine Strömung eines Kühlmediums auf die Innenseite aufprallen zu lassen.
-
Der Turbinenabschnitt einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner eine Trennwand aufweisen, die sich zwischen der unteren Wand und der Prallplatte im Innern des Kühlplenums im Wesentlichen in der Nähe zu wenigstens einer von der vorderen Wand, der hinteren Wand oder dem Paar gegenüberliegender Seitenwände erstreckt.
-
Der Turbinenabschnitt einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein oder mehrere Prallkühllöcher aufweisen, die sich durch die Trennwand erstrecken, wobei die Prallkühllöcher mit der ersten Kühlkammer in Fluidübertragungsverbindung stehen.
-
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbine. Die Gasturbine enthält einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt, der stromabwärts von dem Verdichterabschnitt angeordnet ist, und einen Turbinenabschnitt, der stromabwärts von dem Verbrennungsabschnitt angeordnet ist. Der Turbinenabschnitt enthält eine Rotorwelle, eine Rotorscheibe, die mit der Rotorwelle gekoppelt ist, wobei die Rotorscheibe mehrere Schlitze definiert, die einen Kühlströmungsauslass aufweisen. Mehrere Turbinenlaufschaufeln erstrecken sich von der Rotorscheibe aus radial nach außen. Jede Turbinenlaufschaufel weist einen Montageabschnitt, der innerhalb eines entsprechenden Schlitzes angeordnet ist, einen Schaufelblattabschnitt, der sich von dem Montageabschnitt aus radial nach außen erstreckt, einen Kühlkreislauf, der sich zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt erstreckt, wobei der Kühlkreislauf mit dem Kühlströmungsauslass in Fluidübertragungsverbindung steht, und einen Plattformabschnitt auf, der radial zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt angeordnet ist. Der Plattformabschnitt enthält eine untere Wand, eine obere Wand, eine vordere Wand, eine hintere Wand und ein Paar gegenüberliegender Seitenwände. Die Turbinenlaufschaufel enthält ferner ein Kühlplenum, das innerhalb des Plattformabschnitts definiert ist. Das Kühlplenum definiert weiter den Kühlkreislauf. Das Kühlplenum ist wenigstens teilweise zwischen der vorderen Wand, der hinteren Wand und zwischen dem Paar gegenüberliegender Seitenwände innerhalb des Plattformabschnitts definiert.
-
Die Gasturbine kann ferner einen oder mehrere Auslässe aufweisen, die für eine Fluidübertragungsverbindung von der Kühlkammer durch ein oder mehrere Wände von dem Paar gegenüberliegender Seitenwände, der oberen Wand, der vorderen Wand, der hinteren Wand oder der unteren Wand sorgt.
-
Die obere Wand einer beliebigen vorstehend erwähnten Gasturbine kann eine Innenseite enthalten, die im Innern des Kühlplenums angeordnet ist, wobei die Turbinenlaufschaufel ferner eine Prallplatte aufweist, die sich im Innern des Kühlplenums im Wesentlichen parallel zu der Innenseite erstreckt, wobei die Prallplatte eine erste Kühlkammer und eine zweite Kühlkammer im Innern des Kühlplenums definiert.
-
Die Prallplatte einer beliebigen vorstehend erwähnten Gasturbine kann mehrere Prallkühllöcher enthalten, die für eine Fluidübertragungsverbindung zwischen der ersten Kühlkammer und der zweiten Kühlkammer sorgen, um eine Strömung eines Kühlmittels auf die Innenseite aufprallen zu lassen.
-
Die Gasturbine einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner eine Trennwand aufweisen, die sich zwischen der unteren Wand und der Prallplatte im Innern des Kühlplenums im Wesentlichen in der Nähe wenigstens einer Wand von der vorderen Wand, der hinteren Wand oder dem Paar gegenüberliegender Seitenwände erstreckt, wobei die Trennwand ein oder mehrere Prallkühllöcher enthält.
-
Fachleute auf dem Gebiet werden die Merkmale und Aspekte derartiger Ausführungsformen und anderer bei einer Durchsicht der Beschreibung besser erkennen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine umfassende und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, für einen Fachmann ist in größeren Einzelheiten in der verbleibenden Beschreibung erläutert, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Figuren enthält, in denen:
-
1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaltbild einer beispielhaften Gasturbine, wie sie wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten kann;
-
2 veranschaulicht eine geschnittene Seitenansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts, wie er verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen kann;
-
3 veranschaulicht eine Perspektivansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
4 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 3 veranschaulicht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
5 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 3 veranschaulicht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
6 zeigt eine quer geschnittene Seitenansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 5 veranschaulicht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
7 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 3 veranschaulicht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
8 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 4 veranschaulicht ist, und einen Abschnitt einer Rotorscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
9 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 5 veranschaulicht ist, und einen Abschnitt einer Rotorscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
10 zeigt eine quer geschnittene Seitenansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 6 veranschaulicht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
11 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 10 veranschaulicht ist, und einen Abschnitt einer Rotorscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Bezeichnungen durch Zahlen und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen zu verweisen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung Bezug zu nehmen. Wie hierin verwendet, können die Ausdrücke „erste“, „zweite“ und „dritte“ austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sie sollen keine Lage oder Wichtigkeit der einzelnen Komponenten angeben. Die Ausdrücke „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ beziehen sich auf die relative Richtung in Bezug auf eine Fluidströmung in einem Fluidpfad. Zum Beispiel bezeichnet „stromaufwärts“ die Richtung, von der das Fluid aus strömt, und „stromabwärts“ bezeichnet die Richtung, zu der das Fluid strömt. Der Ausdruck „radial“ bezeichnet die relative Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente ausgerichtet ist, und der Ausdruck „axial“ bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente ausgerichtet ist.
-
Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass von deren Umfang oder Rahmen abgewichen wird. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen mit umfasst, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
-
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente überall in den Figuren anzeigen. 1 zeigt ein Funktionsblockschaltbild einer beispielhaften Gasturbine 10, die verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufnehmen kann. Wie veranschaulicht, enthält die Gasturbine 10 allgemein einen Einlassabschnitt 12, der eine Reihe von Filtern, Kühlschlangen, Feuchtigkeitsabscheidern und/oder andere Vorrichtungen enthalten kann, um ein Arbeitsfluid (z.B. Luft) 14, das in die Gasturbine 10 eintritt, zu reinigen oder in sonstiger Weise aufzubereiten. Das Arbeitsfluid 14 strömt zu einem Verdichterabschnitt, in dem ein Verdichter 16 dem Arbeitsfluid 14 zunehmend kinetische und thermische Energie verleiht, um ein verdichtete Arbeitsfluid 18 zu erzeugen. Das verdichtete Arbeitsfluid 18 strömt von dem Verdichter zu einem Verbrennungsabschnitt 20, in dem es mit einem Brennstoff 22 aus einem Brennstoffzufuhrsystem 22 vermischt wird, um ein brennbares Gemisch in einer oder mehreren Brennkammern 26 zu bilden. Das brennbare Gemisch wird verbrannt, um Verbrennungsgase 28 mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Die Verbrennungsgase 28 werden durch einen Heißgaspfad 30 hindurch zu einem Einlass 32 eines Turbinenabschnitts 34 hin geleitet.
-
2 zeigt eine quer geschnittene Seitenansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts 34, wie er verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen kann. Wie veranschaulicht, enthält der Turbinenabschnitt 34 allgemein eine oder mehrere Stufen 38 von Turbinenleitschaufelsegmenten 40, die in einer kreisringförmigen Anordnung rings um eine Rotorwelle 36 angeordnet sind. Eine oder mehrere Stufen 42 von Turbinenlaufschaufeln 44 sind in einer kreisringförmigen Anordnung rings um die Rotorwelle 36 angeordnet und mit dieser über ein Laufrad oder eine Rotorscheibe 46 verbunden. Die Turbinenleitschaufelsegmente 40 sind ortsfest fixiert und bleiben während eines Betriebs der Gasturbine 10 feststehend. Die Turbinenlaufschaufeln 44 rotieren gemeinsam mit der Rotorwelle 36 während eines Betriebs der Gasturbine 10. Jede Stufe 38 von Turbinenleitschaufelsegmenten 40 ist stromaufwärts von einer Stufe 42 der Turbinenlaufschaufeln 44 angeordnet. Ein äußeres Gehäuse 48 umgibt die verschiedenen Stufen 38 von Turbinenleitschaufelsegmenten 40 und die verschiedenen Stufen 42 der Turbinenlaufschaufeln 44 längs des Umfangs.
-
Wie in 2 veranschaulicht, strömen die Verbrennungsgase 28 durch eine Stufe 38 der Turbinenleitschaufelsegmente 40 und werden in Richtung auf eine Stufe 42 der Turbinenlaufschaufeln 44 gerichtet. Während die Verbrennungsgase 28 durch den Turbinenabschnitt 34 strömen, wird thermische und kinetische Energie auf die Turbinenlaufschaufeln 44 in jeder Stufe 42 übertragen, wodurch die Rotorwelle 36 veranlasst wird, zu rotieren und Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann die Rotorwelle 36, wie in 1 veranschaulicht, mit dem Verdichter 16 verbunden sein, um das verdichtete Arbeitsfluid 18 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Rotorwelle 36 den Turbinenabschnitt 34 mit einem Generator 50 verbinden, um Elektrizität zu erzeugen. Wie in 1 veranschaulicht, strömen Abgase 52 aus dem Turbinenabschnitt 34 durch einen Auslassabschnitt 54, der den Turbinenabschnitt 34 mit einem Abgasschacht 56 verbindet. Der Abgasabschnitt 54 kann zum Beispiel einen (nicht veranschaulichten) Abhitzedampferzeuger zur Reinigung der Abgase 52 und Entnahme zusätzlicher Wärme aus den Abgasen 52 vor der Freisetzung in die Umgebung enthalten.
-
3 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel 100, wie sie verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten kann und die dazu bestimmt ist, die in 2 veranschaulichte Turbinenlaufschaufel 44 zu ersetzen. Wie in 3 veranschaulicht, weist die Turbinenlaufschaufel 100 im Wesentlichen einen Montageabschnitt 102, einen Schaufelblattabschnitt 104, der sich von dem Montageabschnitt 102 aus radial nach außen erstreckt, und einen Plattformabschnitt 106 auf, der sich radial zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblattabschnitt 104 erstreckt. In bestimmten Ausführungsformen ist der Plattformabschnitt 106 angrenzend an den Montageabschnitt 102 angeordnet, wodurch ein zusätzlicher ausgehöhlter Schaft- oder Fortsatzabschnitt (nicht veranschaulicht) der Turbinenlaufschaufel 100 eliminiert ist, der sich gewöhnlich zwischen dem Montageabschnitt 102 und dem Plattformabschnitt 106 erstreckt.
-
Der Schaufelblattabschnitt 104 enthält allgemein eine Vorderkante 108, eine Hinterkante 110, einen Wurzelabschnitt 112, einen Spitzenabschnitt 114, eine Druckseite 116 und eine Saugseite 118. Der Montageabschnitt 102 enthält allgemein eine oder mehrere Koppeleinrichtungen 120, um die Turbinenlaufschaufel 100 mit der Rotorscheibe 46 (2) zu koppeln. Die Koppeleinrichtungen 120 können schwalbenschwanzförmig gestaltet, tannenbaumförmig gestaltet sein oder eine beliebige Gestalt aufweisen, die ausreicht, um die Turbinenlaufschaufel 100 an der Rotorscheibe 46 (2) zu sichern.
-
In bestimmten Ausführungsformen, wie in 3 veranschaulicht, enthält der Plattformabschnitt 106 eine vordere Wand 122, eine hintere Wand 124, eine untere Wand 126, eine obere Wand 128 und ein Paar gegenüberliegender Seitenwände 130. Die vordere Wand 122, die hintere Wand 124 und die zwei gegenüberliegenden Seitenwände 130 erstrecken sich kontinuierlich zwischen der unteren Wand 126 und der oberen Wand 128. Die vordere Wand 122 definiert wenigstens teilweise einen Vorderabschnitt 132 des Plattformabschnitts 106, und die hintere Wand 124 definiert wenigstens teilweise einen Hinterabschnitt 134 des Plattformabschnitts 106. Der Schaufelblattabschnitt 104 erstreckt sich im Wesentlichen radial nach außen von einer Heißgasseite 136 der oberen Wand 128 aus. In verschiedenen Ausführungsformen erstreckt sich ein Kühlkreislauf 138 im Innern wenigstens eines Abschnitts der Turbinenlaufschaufel 100. In einer Ausführungsform ist der Kühlkreislauf 138 wenigstens teilweise durch den Montageabschnitt 102, den Plattformabschnitt 106 und den Schaufelblattabschnitt 104 definiert.
-
4 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht eines Abschnitts der Turbinenlaufschaufel 100, wie sie in 3 veranschaulicht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 veranschaulicht, ist ein Kühlplenum 140 im Innern des Plattformabschnitts 106 definiert. Das Kühlplenum 140 steht in Fluidübertragungsverbindung mit dem Kühlkreislauf 138. In einer Ausführungsform definiert das Kühlplenum 140 wenigstens teilweise den Kühlkreislauf 138, wodurch es für eine Fluidübertragung zwischen dem Montageabschnitt 102 und dem Schaufelblattabschnitt 104 der Turbinenlaufschaufel 100 sorgt. In bestimmten Ausführungsformen ist das Kühlplenum 140 wenigstens teilweise durch die vordere Wand 122 (3), die hintere Wand 122 (3), die untere Wand 126 (3 und 4), die obere Wand 128 (3 und 4) und das Paar gegenüberliegender Seitenwände 130 (3 und 4) definiert. Wie in 4 veranschaulicht, enthält die obere Wand 128 ferner eine kalte oder innere Seite 142, die im Innern des Kühlplenums 140 angeordnet ist. Die Innenseite 142 ist von der Heißgasseite 136 radial getrennt und steht in Wärmeübertragungsverbindung mit dieser.
-
Ein Kühlmitteleinlass 144 sorgt für eine Fluidübertragungsverbindung in den Kühlkreislauf 138 hinein. In einer Ausführungsform erstreckt sich der Kühlmitteleinlass 144 durch eine Unterseite 146 des Montageabschnitts 102 hindurch. Die Turbinenlaufschaufel 100 kann mehrere Kühlmitteleinlässe 144 enthalten, die eine Fluidübertragungsverbindung in den Kühlkreislauf 138 hinein schaffen. In einer Ausführungsform schaffen eine oder mehrere Kühlströmungsauslassöffnungen 148 eine Fluidübertragungsverbindung aus dem Kühlplenum 140 heraus. In einer Ausführungsform erstreckt sich wenigstens eine der Kühlströmungsauslassöffnungen 148 durch wenigstens eine Seitenwand 130 des Paars gegenüberliegender Seitenwände 130 hindurch. Zusätzlich oder alternativ kann sich wenigstens eine der Kühlströmungsauslassöffnungen 148 durch die untere Wand 126 erstrecken.
-
5 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht eines Abschnitts der Turbinenlaufschaufel 100, wie sie in 4 veranschaulicht ist, gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 zeigt eine quer geschnittene Seitenansicht der Turbinenlaufschaufel 100, wie sie in 5 veranschaulicht ist. In bestimmten Ausführungsformen, wie in den 5 und 6 veranschaulicht, ist eine Prallplatte 150 im Innern des Kühlplenums 140 angeordnet. Die Prallplatte 150 erstreckt sich allgemein im Wesentlichen parallel zu der Innenfläche 142 der oberen Wand 128. Die Prallplatte 150 ist von der unteren Wand 126 radial getrennt, um dazwischen eine erste Kühlkammer 152 im Innern des Kühlplenums 140 zu bilden. Die Prallplatte 150 ist von der Innenseite 142 der oberen Wand 128 radial getrennt, um so dazwischen eine zweite Kühlkammer 154 im Innern des Kühlplenums 140 zu definieren. In bestimmten Ausführungsformen erstreckt sich die Prallplatte 150 wenigstens teilweise zwischen der vorderen Wand 122 (6), der hinteren Wand 124 (6) und den zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 130 (5).
-
In bestimmten Ausführungsformen, wie in den 5 und 6 veranschaulicht, erstrecken sich mehrere Prallkühllöcher 156 durch die Prallplatte 150 hindurch. Die Prallkühllöcher 156 können eine beliebige Querschnittsgestalt, wie beispielsweise eine kreisförmige oder konische, aufweisen. Die Prallkühllöcher 156 sorgen für eine Fluidübertragungsverbindung zwischen der ersten Kühlkammer 152 und der zweiten Kühlkammer 154. Die Prallkühllöcher 156 definieren wenigstens teilweise den Kühlkreislauf 138.
-
Wie in 6 veranschaulicht, können die Prallkühllöcher 156 in Bezug auf eine ober Fläche 158 der Prallplatte 150 unter einem Winkel oder geneigt verlaufen. Wie in 6 veranschaulicht, können sich eine oder mehrere Spülöffnungen 159 durch die vordere Wand 122 oder die hintere Wand 124 erstrecken, um für eine Fluidübertragung aus dem Kühlplenum 140 heraus zu sorgen. In bestimmten Ausführungsformen können die Spülöffnungen 148 radial oberhalb der Prallplatte 150 und/oder radial unterhalb der Prallplatte 150 positioniert sein.
-
In bestimmten Ausführungsformen, wie in den 4 und 5 veranschaulicht, kann die Turbinenlaufschaufel 100 ferner eine oder mehrere Filmkühlöffnungen 161 enthalten, die sich durch die obere Wand 128 erstrecken. Die Filmkühlöffnungen 161 sorgen für eine Fluidübertragungsverbindung von dem Kühlplenum 140 und/oder der ersten Kühlkammer 154 durch die obere Wand 128, um eine Filmkühlung an der Heißgasseite 136 der Turbinenlaufschaufel 100 zu erzielen.
-
7 zeigt eine quergeschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel 100, wie sie in 3 veranschaulicht ist, gemäß wenigstens einer Ausführungsform. Wie in 7 veranschaulicht, kann die Turbinenlaufschaufel 100 ferner einen Schaftabschnitt 160 enthalten, der sich wenigstens teilweise zwischen dem Montageabschnitt 102 und dem Schaufelblattabschnitt 104 erstreckt. Der Schaftabschnitt 160 erstreckt sich durch das Kühlplenum 140 hindurch und ist wenigstens teilweise zwischen der vorderen Wand 122 (3), der hinteren Wand 124 (3), der unteren Wand 126 (7), der oberen Wand 128 (7) und dem Paar gegenüberliegender Seitenwände 130 (7) eingeschlossen. Wie in 7 veranschaulicht, definiert der Schaftabschnitt 160 wenigstens teilweise den Kühlkreislauf 138 im Innern der Turbinenlaufschaufel 100. In einer Ausführungsform ist die Prallplatte 150 im Innern des Kühlplenums 140 angeordnet.
-
Ein oder mehrere Einlasskanäle 162 können sich durch den Schaftabschnitt 160 erstrecken, um eine Fluidübertragungsverbindung in das Kühlplenum 140 hinein zu schaffen. In bestimmten Ausführungsformen sorgen der eine oder die mehreren Einlasskanäle 162 für eine Fluidübertragung zwischen dem Kühlkreislauf 138 und der ersten Kühlkammer 152. Ein oder mehrere Auslasskanäle 164 können sich durch den Schaftabschnitt 160 stromabwärts von den Einlasskanälen 162 erstrecken, um für eine Fluidübertragungsverbindung zwischen dem Kühlplenum 140 und dem Kühlkreislauf 138 zu sorgen. In bestimmten Ausführungsformen sorgen die Auslasskanäle 164 für eine Fluidübertragungsverbindung zwischen der zweiten Kühlkammer 154 und dem Kühlkreislauf 138.
-
8 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht eines Abschnitts der Turbinenlaufschaufel 100, wie sie in 4 veranschaulicht ist, die in einen Schlitz 166 der Rotorscheibe 46 eingekoppelt ist, gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 8 veranschaulicht, ist der Montageabschnitt 102 der Turbinenlaufschaufel 100 innerhalb des Schlitzes 166 angeordnet, und die restlichen Abschnitte der Turbinenlaufschaufel 100 erstrecken sich von der Rotorscheibe 46 aus radial nach außen. Ein Kühlströmungsauslass 168 erstreckt sich durch die Rotorscheibe 46 hindurch, um eine Fluidübertragungsverbindung zwischen einer (nicht veranschaulichten) Kühlmittelquelle, wie beispielsweise dem Verdichter (1), und dem Kühlmitteleinlass 144 der Turbinenlaufschaufel 100 zu schaffen.
-
Im Betrieb wird, wie in 8 veranschaulicht, ein Kühlmittel 170, wie beispielsweise verdichtete Luft, von dem Kühlströmungsauslass 168 aus durch den Kühlmitteleinlass 144 hindurch und in den Kühlkreislauf 138 hinein geleitet. Das Kühlmittel 170 wird durch den Kühlkreislauf innerhalb des Montageabschnitts 102 geleitet, um eine konduktive und/oder konvektive Kühlung an dem Montageabschnitt 102 zu erzielen. In einer Ausführungsform, wie in 8 veranschaulicht, wird das Kühlmittel 170 anschließend unmittelbar auf die innere Fläche 142 der oberen Wand 128 geleitet oder aufprallen gelassen, wodurch wenigstens eine von einer Aufprallkühlung, konvektiven oder konduktiven Kühlung an der oberen Wand 128 erzielt wird, wobei insbesondere Wärme von der Heißgasseite 136 der oberen Wand 128 abgeführt wird. Ein Teil des Kühlmittels 170 kann durch eine oder mehrere von der einen oder den mehreren Auslassöffnungen 148 geleitet werden. In einer Ausführungsform wird ein Teil des Kühlmittels 170 durch die untere Wand 126 geleitet, um eine Aufprall- und/oder Konvektionskühlung an einer äußeren Oberfläche 172 der Rotorscheibe 46 zu erzielen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Teil des Kühlmittels 170 durch eine oder mehrere der Auslassöffnungen 148 geleitet werden, die sich durch eine oder beide von den gegenüberliegenden Seitenwänden 130 erstrecken, um eine Kühlung zwischen einem (nicht veranschaulichten) benachbarten Plattformabschnitt von (nicht veranschaulichten) benachbarten Turbinenlaufschaufeln zu erzielen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Teil des Kühlmittels 170 durch die Filmkühlöffnungen 161 geleitet werden, um eine Filmkühlung an der Heißgasseite 136 der oberen Wand 128 zu erzielen.
-
9 zeigt einen Querschnitt der Turbinenlaufschaufel 100, wie in 5 veranschaulicht, und einen Abschnitt der Rotorscheibe 46 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 veranschaulicht, kann das Kühlmittel 170 durch den Abschnitt des Kühlkreislaufes 138, der innerhalb des Montageabschnitts 102 definiert ist, hindurch und in die erste Kühlkammer 152 des Kühlplenums 140 hinein strömen. Wenigstens ein Teil des Kühlmittels 170 wird durch die Prallkühllöcher 156 hindurch und in die zweite Kühlkammer 154 hinein geleitet.
-
Die Prallkühllöcher 156 sind konfiguriert, um einen Strahl des Kühlmittels 170 auf wenigstens eine von der Innenseite 142 der oberen Wand 128, einer oder beiden von dem Paar gegenüberliegender Seitenwände 130, der vorderen Wand 122 (6) oder der hinteren Wand 124 (6) zu richten, um so wenigstens eine von einer Aufprallkühlung, einer konvektiven oder konduktiven Kühlung an beliebigen oder allen von diesen Wänden oder Oberflächen zu erzielen. Ein Teil des Kühlmittels 170 kann durch eine oder mehrere von der einen oder den mehreren Auslassöffnungen 148 geleitet werden. In einer Ausführungsform wird ein Teil des Kühlmittels 170 durch die eine oder mehreren Auslassöffnungen 148 in der unteren Wand 126 geleitet, um eine Aufprall- oder Konvektionskühlung an der äußeren Oberfläche 172 der Rotorscheibe 46 zu erzielen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Teil des Kühlmittels 170 durch eine oder mehrere der Auslassöffnungen 148 geleitet werden, die sich durch eine oder beide der gegenüberliegenden Seitenwände 130 erstrecken, um eine Kühlung zwischen benachbarten Plattformabschnitten von benachbarten Turbinenlaufschaufeln (nicht veranschaulicht) zu erzielen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Teil des Kühlmittels 170 durch die Filmkühlöffnungen 161 hindurchgeleitet werden, um eine Filmkühlung an der Heißgasseite 136 der oberen Wand 128 zu erzielen.
-
10 zeigt eine quer geschnittene Seitenansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 6 veranschaulicht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 11 zeigt eine quer geschnittene Vorderansicht der Turbinenlaufschaufel, wie sie in 10 veranschaulicht ist, und einen Abschnitt einer Rotorscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 10 veranschaulicht, erstreckt sich eine Trennwand oder Wand 172 zwischen der unteren Wand 126 und der Prallplatte 150. Wie in 10 veranschaulicht, kann sich die Trennwand 172 zwischen der unteren Wand 126 und der Prallplatte 150 in der Nähe von einer oder beiden von der vorderen Wand 122 und/oder der hinteren Wand 124 erstrecken. Zusätzlich oder alternativ kann sich die Trennwand, wie in 11 veranschaulicht, zwischen der unteren Wand 126 und der Prallplatte 150 in der Nähe von einer oder beiden der Seitenwände 130 erstrecken. Wie in den 10 und 11 veranschaulicht, kann die Trennwand 172 wenigstens teilweise die erste Kühlkammer 152 und/oder die zweite Kühlkammer 154 definieren. Eine oder mehrere der Pralllöcher 156 erstrecken sich durch die Trennwand 172 hindurch, um einen Aufprallstrahl des Kühlmittels 170 auf eine oder mehrere von den Seitenwänden 130 (11), der vorderen Wand (10) und/oder der hinteren Wand (10) zu richten.
-
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
-
Eine Turbinenlaufschaufel enthält einen Montageabschnitt, der teilweise einen Kühlkreislauf im Innern der Turbinenlaufschaufel definiert, und einen Schaufelblattabschnitt, der sich von dem Montageabschnitt aus radial nach außen erstreckt. Der Schaufelblattabschnitt definiert weiter den Kühlkreislauf. Die Turbinenlaufschaufel enthält ferner einen Plattformabschnitt, der radial zwischen dem Montageabschnitt und dem Schaufelblatt angeordnet ist. Der Plattformabschnitt enthält eine untere Wand, eine obere Wand, eine vordere Wand, eine hintere Wand und ein Paar gegenüberliegender Seitenwände. Ein Kühlplenum, das wenigstens teilweise den Kühlkreislauf definiert, ist innerhalb des Plattformabschnitts definiert. Das Kühlplenum ist wenigstens teilweise zwischen der vorderen Wand, der hinteren Wand und zwischen dem Paar gegenüberliegender Seitenwände definiert. KOMPONENTENLISTE
| Bezugszeichen | Komponente |
| 10 | Gasturbine |
| 12 | Einlass |
| 14 | Arbeitsfluid |
| 16 | Verdichter |
| 18 | verdichtetes Arbeitsfluid |
| 20 | Verbrennungsabschnitt |
| 22 | Brennstoff |
| 24 | Brennstoffzufuhrsystem |
| 26 | Brennkammer |
| 28 | Verbrennungsgase |
| 30 | Heißgaspfad |
| 32 | Einlass |
| 34 | Turbinenabschnitt |
| 36 | Welle |
| 38 | Stufe |
| 40 | Turbinenleitschaufelsegment |
| 42 | Stufe |
| 44 | Turbinenlaufschaufeln |
| 46 | Rotorscheibe |
| 48 | äußeres Gehäuse |
| 50 | Motor/Generator |
| 52 | Abgase |
| 54 | Auslassabschnitt |
| 56 | Abgasschacht |
| 57–99 | nicht verwendet |
| 100 | Turbinenschaufel |
| 102 | Montageabschnitt |
| 104 | Schaufelblattabschnitt |
| 106 | Plattformabschnitt |
| 108 | Vorderkante |
| 110 | Hinterkante |
| 112 | Wurzelabschnitt |
| 114 | Spitzenabschnitt |
| 116 | Druckseite |
| 118 | Saugseite |
| 120 | Koppeleinrichtung |
| 122 | vordere Wand |
| 124 | hintere Wand |
| 126 | untere Wand |
| 128 | obere Wand |
| 130 | Seitenwand |
| 132 | Vorderabschnitt |
| 134 | Hinterabschnitt |
| 136 | Heißgasseite |
| 138 | Kühlkreislauf |
| 140 | Kühlplenum |
| 142 | kalte/innere Seite |
| 144 | Kühlmitteleinlass |
| 146 | untere Seite |
| 148 | Auslassöffnung |
| 150 | Prallplatte |
| 152 | erste Kühlkammer |
| 154 | zweite Kühlkammer |
| 156 | Prallkühlloch |
| 158 | obere Fläche |
| 159 | Spülöffnung |
| 160 | Schaftabschnitt |
| 161 | Filmkühlöffnung |
| 162 | Einlasskanal |
| 164 | Auslasskanal |
| 166 | Schlitz |
| 168 | Kühlströmungsauslass |
| 170 | Kühlmittel |
| 172 | äußere Fläche |
