DE102014119691A1 - Innenkühlkanäle in Turbinenschaufeln - Google Patents

Abstract

Eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, das von Außenwänden definiert wird, bei denen eine konkav geformte druckseitige Außenwand und eine konvex geformte saugseitige Außenwand an einer Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und eine Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden. Die Turbinenschaufel kann eine Rippenanordnung beinhalten, die die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge unterteilt. Die Rippenanordnung kann eine Rippe mit einem welligen Profil beinhalten, das durch einen der Strömungsdurchgänge einer Zielfläche gegenüberliegt. Relativ zur Zielfläche kann das wellige Profil der Rippe einen Rückenteil und einen Furchenteil beinhalten. Die Rippe kann durch den Rückenteil ausgebildete Prallöffnungen beinhalten.

Description

• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenschaufelblätter und speziell hohle Turbinenschaufelblätter wie Lauf- oder Leitschaufeln, die innere Kanäle zum Hindurchleiten von Fluiden wie Luft zum Kühlen der Schaufelblätter haben.
• Verbrennungs- oder Gasturbinenmaschinen (im Folgenden „Gasturbinen”) beinhalten einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Wie in der Technik gut bekannt ist, wird im Verdichter verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer entzündet und dann zur Krafterzeugung durch die Turbine ausgedehnt. Die Bauteile innerhalb der Turbine, speziell die sich in Umfangsrichtung erstreckend angeordneten Lauf- und Leitschaufeln, sind einer widrigen Umgebung ausgesetzt, die durch die extrem hohen Temperaturen und Drücke der Verbrennungsprodukte gekennzeichnet ist, die durch sie ausgedehnt werden. Um den sich wiederholenden Wärmezyklen sowie den extremen Temperaturen und mechanischen Belastungen dieser Umgebung standzuhalten, müssen die Schaufelblätter eine robuste Struktur haben und aktiv gekühlt werden.
• Wie zu erkennen ist, enthalten Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen oft innere Gänge oder Kreise, die ein Kühlungssystem bilden, durch das ein Kühlmittel, gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Luft, umgewälzt wird. Derartige Kühlkreise werden gewöhnlich von inneren Rippen gebildet, welche die erforderliche strukturelle Unterstützung für das Schaufelblatt bereitstellen, und beinhalten mehrere Strömungswege, die dafür ausgelegt sind, das Schaufelblatt innerhalb eines akzeptablen Temperaturprofils zu halten. Die durch diese Kühlkreise hindurchströmende Luft wird oft durch Filmkühlungsöffnungen abgelassen, die an der Vorderkante, der Hinterkante, der Saugseite und der Druckseite des Schaufelblatts ausgebildet sind.
• Es ist zu erkennen, dass der Wirkungsgrad von Gasturbinen mit steigenden Zündtemperaturen zunimmt. Aufgrund dessen besteht ein ständiger Bedarf an technologischen Fortschritten, die es Turbinenschaufeln ermöglichen, immer noch höheren Temperaturen standzuhalten. Diese Fortschritte beinhalten manchmal neue Werkstoffe, die höheren Temperaturen standhalten können, genauso oft beinhalten sie aber das Verbessern der Innenanordnung des Schaufelblatts, um die Konstruktion und Kühlleistung der Schaufel zu verbessern. Da die Verwendung von Kühlmittel aber den Wirkungsgrad der Maschine verringert, tauschen neue Anordnungen, die sich zu stark auf höhere Kühlmittelverbrauchspegel verlassen, lediglich eine Leistungsschwäche gegen eine andere ein. Infolgedessen besteht weiterhin ein Bedarf an neuen Schaufelblattkonstruktionen, die innere Schaufelblattgestaltungen und eine Kühlmittelumwälzung bieten, welche den Kühlmittelwirkungsgrad verbessern.
• Ein Faktor, der die Konstruktion von innengekühlten Schaufelblättern noch komplizierter macht, ist der Temperaturunterschied, der sich während des Betriebs zwischen der Innen- und Außenstruktur der Schaufelblätter entwickelt. Das heißt, weil sie mit dem Heißgasweg in Kontakt sind, liegen die Außenwände des Schaufelblatts während des Betriebs gewöhnlich auf viel höheren Temperaturen als viele der inneren Rippen, in denen z.B. Kühlmittel durch Gänge strömt, die an jeder Seite von ihnen definiert sind. Tatsächlich beinhaltet eine übliche Schaufelblattgestaltung eine „vierwandige“ Anordnung, in der längere Innenrippen parallel zu den druck- und saugseitigen Außenwänden verlaufen. Es ist bekannt, dass sich durch die wandnahen Strömungsdurchgänge, die in der vierwandigen Anordnung ausgebildet sind, eine hohe Kühlleistung erreichen lässt, die Außenwände aber einen bedeutend höheren Grad an Wärmeausdehnung erfahren als die Innenwände. Diese unausgeglichene Ausweitung verursacht die Entwicklung von Belastungen an den Verbindungspunkten der Innenrippen und Außenwände, die eine Kurzzeitermüdung verursachen können, die die Lebensdauer der Schaufel verkürzen kann. Von daher bleibt die Entwicklung von Schaufelblattkonstruktionen, die Kühlmittel effizienter nutzen, während sie gleichzeitig durch unausgeglichene Wärmeausdehnung zwischen den inneren und äußeren Regionen verursachte Belastungen reduzieren, eine bedeutende technologische Aufgabe für die Industrie.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Anmeldung beschreibt daher eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, das von Außenwänden definiert wird, bei denen eine konkav geformte druckseitige Außenwand und eine konvex geformte saugseitige Außenwand an einer Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und eine Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden. Die Turbinenschaufel kann eine Rippenanordnung beinhalten, die die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge unterteilt. Die Rippenanordnung kann eine Rippe mit einem welligen Profil beinhalten, das durch einen der Strömungsdurchgänge einer Zielfläche gegenüberliegt. Relativ zur Zielfläche kann das wellige Profil der Rippe einen Rückenteil und einen Furchenteil beinhalten. Die Rippe kann durch den Rückenteil ausgebildete Prallöffnungen beinhalten.
• Der eine der Strömungsdurchgänge der Turbinenschaufel kann einen wandnahen Strömungsdurchgang umfassen, wobei die Rippe eine Skelettlinienrippe umfasst, die an einer der Außenwände des Schaufelblatts entlang verläuft, um dazwischen die wandnahe Strömungskammer zu definieren, und wobei die Zielfläche eine Innenfläche der einen der Außenwände des Schaufelblatts umfasst.
• Das wellige Profil einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann so angeordnet sein, dass der Rückenteil der Skelettlinienrippe zur Zielfläche hin vorsteht, während der Furchenteil von der Zielfläche weg zurückversetzt ist.
• Der Rückenteil und die Furche einer oben erwähnten Turbinenschaufel können aufeinanderfolgende Segmente der Skelettlinienrippe umfassen, wobei der Furchenteil ein zurückgesetztes Segment umfasst, während der Rückenteil ein erhabenes Segment umfasst, relativ zur Nähe jedes Segments zur Zielfläche.
• Das wellige Profil der Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine Form der Skelettlinienrippe von einer Querschnittsperspektive des Schaufelblatts umfassen, wobei die Prallöffnungen jeweils zum Hindurchführen eines Stroms von druckbeaufschlagtem Kühlmittel und zum Richten eines resultierenden Kühlmittelstrahls gegen die Zielfläche angeordnet sind.
• Auf einer dem wandnahen Strömungsdurchgang entgegengesetzten Seite der Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann ein mittlerer Strömungsdurchgang ausgebildet sein, wobei der mittlere Strömungsdurchgang relativ zu einer Kühlmittelzufuhr und einem Kühlkreis, der durch die Turbinenschaufel angeordnet ist, eine stromaufwärtige Position relativ zum wandnahen Strömungsdurchgang aufweisen kann und wobei der mittlere Strömungsdurchgang zum Zuführen einer über den Kühlkreis in ihn eingeführten Kühlmittelzufuhr zu den Prallöffnungen angeordnet sein kann.
• Das wellige Profil der Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann wenigstens eine hin- und hergehende „S”-Form aufweisen, wobei die Turbinenschaufel eine Turbinenlaufschaufel umfasst.
• Das wellige Profil der Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann wenigstens eine sinusförmige Anordnung beinhalten, bei der der Rückenteil ein Segment der Skelettlinienrippe umfasst, das sich zur Zielfläche hin krümmt, und der Furchenteil ein Segment umfasst, das sich von der Zielfläche weg krümmt.
• Der Rückenteil einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann der Zielfläche eine konvexe Stirnfläche präsentieren und der Furchenteil präsentiert der Zielfläche eine konkave Stirnfläche, wobei der Rückenteil so angeordnet ist, dass die konvexe Stirnfläche sich in enger Nähe der Zielfläche befindet.
• Die Prallöffnungen einer oben erwähnten Turbinenschaufel können in einer Reihe angeordnet sein, die an einer Längsachse des Rückenteils entlang ausgerichtet ist, wobei die Prallöffnungen in regelmäßigen radialen Abständen angeordnet sind.
• Die konvexe Stirnfläche des Rückenteils einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann einen Scheitelpunkt beinhalten, der einen der Zielfläche am nächsten liegenden Punkt darstellt, wobei die Prallöffnungen am Scheitelpunkt der konvexen Stirnfläche des Rückenteils entlang ausgerichtet sind.
• Die konvexe Stirnfläche des Rückenteils einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann einen Scheitelpunkt beinhalten, der einen der Zielfläche am nächsten liegenden Punkt darstellt, wobei der Scheitelpunkt des Rückenteils eine radial verlaufende Längsachse aufweist, wobei die Prallöffnungen zwei parallele Reihen auf dem Rücken umfassen, wobei die zwei Reihen auf jede Seite der Längsachse des Scheitelpunkts des Rückenteils versetzt sind.
• Die Prallöffnungen in jeder der zwei Reihen einer oben erwähnten Turbinenschaufel können in regelmäßigen radialen Abständen voneinander beabstandet sein, wobei die Prallöffnungspositionierung der zwei Reihen eine gestaffelte Ausrichtung umfasst, so dass eine Position einer Prallöffnung in einer ersten der zwei Reihen auf einen ungefähren Mittelpunkt relativ zu Positionen eines entsprechenden Paares von Prallöffnungen in einer zweiten der zwei Reihen fällt.
• Die Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine druckseitige Skelettlinienrippe umfassen, die entlang und nahe der druckseitigen Außenwand verläuft, und wobei die Zielfläche eine Innenfläche der druckseitigen Außenwand des Schaufelblatts aufweist.
• Die Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine saugseitige Skelettlinienrippe umfassen, die entlang und nahe der saugseitigen Außenwand verläuft, wobei die Zielfläche eine Innenfläche der saugseitigen Außenwand des Schaufelblatts aufweist.
• Die Rippenanordnung einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann zwei Skelettlinienrippen beinhalten: eine druckseitige Skelettlinienrippe, die entlang der druckseitigen Außenwand verläuft und dazwischen eine erste wandnahe Strömungskammer bildet, und eine saugseitige Skelettlinienrippe, die entlang der saugseitigen Außenwand verläuft und dazwischen eine zweite wandnahe Strömungskammer bildet, wobei sowohl die druckseitige Skelettlinienrippe als auch die saugseitige Skelettlinienrippe das wellige Profil umfasst, das den Rückenteil und den Furchenteil beinhaltet, wobei der Rückenteil von jeder der Skelettlinienrippen eine Reihe von durch ihn ausgebildeten, radial voneinander beabstandeten Prallöffnungen beinhaltet, wobei die Zielfläche durch den ersten wandnahen Strömungsdurchgang hindurch die druckseitige Außenwand umfasst und wobei die Zielfläche durch den zweiten wandnahen Strömungsdurchgang hindurch die saugseitige Außenwand umfasst.
• Das wellige Profil der Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann abwechselnde Rücken- und Furchenteile beinhalten, bei denen wenigstens ein Rückenteil auf jeder Seite von einem Furchenteil flankiert wird, wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe eine sinusförmige Anordnung beinhaltet, bei der der Rückenteil der Zielfläche eine konvexe Stirnfläche präsentiert und jeder der beiden flankierenden Furchenteile der Zielfläche eine konkave Stirnfläche präsentiert.
• Das wellige Profil der Skelettlinienrippe einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann abwechselnde Rücken- und Furchenteile beinhalten, bei denen ein erster Rückenteil auf jeder Seite von einem Furchenteil flankiert wird und ein zweiter Rückenteil auf jeder Seite von einem Furchenteil flankiert wird, wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe eine sinusförmige Anordnung beinhaltet, bei der jeder der Rückenteile der Zielfläche eine konvexe Stirnfläche präsentiert und jeder der flankierenden Furchenteile der Zielfläche eine konkave Stirnfläche präsentiert.
• Der erste Rückenteil und die damit verbundenen flankierenden Furchenteile einer oben erwähnten Turbinenschaufel können in einem ersten wandnahen Strömungsdurchgang angeordnet sein, wobei der zweite Rückenteil und die damit verbundenen flankierenden Furchenteile in einem zweiten wandnahen Strömungsdurchgang angeordnet sind, wobei der erste wandnahe Strömungsdurchgang und der zweite wandnahe Strömungsdurchgang aufeinanderfolgende wandnahe Strömungsdurchgänge umfassen.
• Der erste wandnahe Strömungsdurchgang und der zweite wandnahe Strömungsdurchgang einer oben erwähnten Turbinenschaufel können durch eine Querrippe unterteilt sein, die die Skelettlinienrippe mit der Außenwand des Schaufelblatts verbindet, wobei die Querrippe die Skelettlinienrippe an einem Furchenteil schneidet, das sich in jeden der aufeinanderfolgenden wandnahen Strömungsdurchgänge erstreckt.
• Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei der Prüfung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wenn in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen betrachtet, offensichtlich.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden beim sorgfältigen Studium der folgenden ausführlicheren Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen umfassender verstanden und erfasst werden, wobei:
• 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbinenmaschine ist, in der gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung genutzt werden können,
• 2 eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts der Verbrennungsturbinenmaschine von 1 ist,
• 3 eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts der Verbrennungsturbinenmaschine von 1 ist,
• 4 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel des Typs ist, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können,
• 5 eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwand- oder Rippenanordnung gemäß einer konventionellen Konstruktion hat,
• 6 eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwandanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat,
• 7 eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwand- oder Rippenanordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat,
• 8 eine Querschnittansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwand- oder Rippenanordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat,
• 9 eine Schnittansicht einer konventionellen Prallkühlungsanordnung ist und
• 10 eine Querschnittansicht eines Schaufelblatts mit einer Prallkühlungsanordnung gemäß gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung ist.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Eingehend wird es zur klaren Beschreibung der aktuellen Erfindung notwendig, bei der Bezugnahme auf und der Beschreibung von relevante(n) Maschinenbauteile(n) innerhalb einer Gasturbine eine gewisse Terminologie zu wählen. Dabei wird möglichst immer übliche Industrieterminologie auf eine Weise verwendet und eingesetzt, die mit ihrer akzeptierten Bedeutung übereinstimmt. Sofern nicht anders angegeben, ist derartige Terminologie in Übereinstimmung mit dem Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung und dem Umfang der angehängten Ansprüche weit auszulegen. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass ein spezielles Bauteil oft unter Verwendung mehrerer verschiedener oder überlappender Begriffe bezeichnet werden kann. Was hierin als einzelnes Bauteil beschrieben werden kann, kann in einem anderen Zusammenhang mehrere Bauteile beinhalten und als aus mehreren Bauteilen bestehend bezeichnet werden. Alternativ kann das, was hierin als mehrere Bauteile beinhaltend beschrieben wird, an anderer Stelle als ein Einzelteil bezeichnet werden. Dementsprechend ist beim Verstehen des Umfangs der vorliegenden Erfindung nicht nur die hierin vorgesehene Terminologie und Beschreibung zu beachten, sondern auch die Struktur, Anordnung, Funktion und/oder Nutzung des Bauteils.
• Hierin können außerdem regelmäßig mehrere beschreibende Begriffe verwendet werden und es sollte sich als nützlich erweisen, diese Begriffe zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Diese Begriffe und ihre Definitionen, sofern nicht anders angegeben, sind wie folgt. „Stromabwärts“ und „stromaufwärts“, wie hierin verwendet, sind Begriffe, die eine Richtung relativ zur Strömung eines Fluids andeuten, wie des Arbeitsfluids durch die Turbinenmaschine oder zum Beispiel der Luftstrom durch die Brennkammer oder von Kühlmittel durch eines der Bauteilsysteme der Turbine. Der Begriff „stromabwärts“ entspricht der Fluidströmungsrichtung und der Begriff „stromaufwärts“ bezieht sich auf die Richtung, die der Strömung entgegengesetzt ist. Die Begriffe „vorn“ und „hinten“ ohne weitere Spezifität beziehen sich auf Richtungen, wobei „vorn” sich auf das vordere oder Verdichterende der Maschine und „hinten” sich auf das hintere oder Turbinenende der Maschine bezieht. Oft müssen Teile beschrieben werden, die sich in Bezug auf eine Mittelachse an verschiedenen radialen Positionen befinden. Der Begriff „radial” bezieht sich auf eine zu einer Achse lotrechte Bewegung oder Position. In Fällen wie diesem wird, wenn ein erstes Bauteil näher an der Achse liegt als ein zweites Bauteil, hierin angegeben, dass das erste Bauteil vom zweiten Bauteil „radial einwärts“ oder „innenliegend“ ist. Wenn dagegen das erste Bauteil weiter von der Achse entfernt ist als das zweite Bauteil, kann hierin angegeben werden, dass das erste Bauteil vom zweiten Bauteil „radial auswärts“ oder „außenliegend“ ist. Der Begriff „axial“ bezieht sich auf eine zu einer Achse parallele Bewegung oder Position. Und schließlich bezieht sich der Begriff „in Umfangsrichtung“ auf eine Bewegung oder Position um eine Achse. Es ist zu erkennen, dass derartige Begriffe in Bezug auf die Mittelachse der Turbine angewendet werden können.
• Als Hintergrund, jetzt Bezug nehmend auf die Figuren, veranschaulichen die 1 bis 4 eine beispielhafte Verbrennungsturbinenmaschine, die in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Fachmann versteht, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diesen speziellen Nutzungstyp beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann in Verbrennungsturbinenmaschinen verwendet werden, wie jenen, die in der Stromerzeugung, in Flugzeugen sowie in anderen Maschinentypen verwendet werden. Sofern nicht anders angegeben, ist nicht vorgesehen, dass die bereitgestellten Beispiele beschränkend sind.
• 1 ist eine schematische Darstellung einer Verbrennungsturbinenmaschine 10. Im Allgemeinen funktionieren Verbrennungsturbinenmaschinen, indem sie einem druckbeaufschlagten Heißgasstrom, der durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft erzeugt wird, Energie entnehmen. Wie in 1 gezeigt, kann die Verbrennungsturbinenmaschine 10 mit einem Axialverdichter 11, der durch eine gemeinsame Welle oder einen gemeinsamen Läufer mechanisch mit einem oder einer stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder Turbine 13 gekoppelt ist, und einer zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 13 positionierten Brennkammer 12 ausgestaltet sein.
• 2 veranschaulicht eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 11, der in der Verbrennungsturbinenmaschine von 1 verwendet werden kann. Wie gezeigt, kann der Verdichter 11 mehrere Stufen beinhalten. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 15 beinhalten. Daher kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 beinhalten, die sich um eine mittlere Welle drehen, gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 15, die während des Betriebs unbeweglich bleiben.
• 3 veranschaulicht eine Teilansicht eines bzw. einer beispielhaften Turbinenabschnitts oder Turbine 13, die in der Verbrennungsturbinenmaschine von 1 verwendet werden kann. Die Turbine 13 kann mehrere Stufen beinhalten. Abgebildet sind drei beispielhafte Stufen, in der Turbine 13 können sich aber mehr oder weniger Stufen befinden. Eine erste Stufe beinhaltet mehrere Turbinenlaufschaufeln 16, die sich während des Betriebs um die Welle drehen, und mehrere Leitschaufeln 17, die während des Betriebs ortsfest bleiben. Die Turbinenleitschaufeln 17 sind im Allgemeinen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse befestigt. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können zur Drehung um die Welle (nicht gezeigt) an einem Turbinenrad (nicht gezeigt) montiert sein. Es ist auch eine zweite Stufe der Turbine 13 dargestellt. Die zweite Stufe beinhaltet gleichermaßen mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Turbinenleitschaufeln 17 gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Turbinenlaufschaufeln 16, die zur Drehung ebenfalls an einem Turbinenrad montiert sind. Auch eine dritte Stufe ist dargestellt und beinhaltet gleichermaßen mehrere Turbinenleitschaufeln 17 und -laufschaufeln 16. Es ist zu beachten, dass die Turbinenleitschaufeln 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 im Heißgasweg der Turbine 13 liegen. Die Strömungsrichtung der heißen Gase durch den Heißgasweg wird von dem Pfeil angezeigt. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass die Turbine 13 mehr oder in einigen Fällen weniger Stufen als die in 3 dargestellten haben kann. Jede zusätzliche Stufe kann eine Reihe von Turbinenleitschaufeln 17 gefolgt von einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln 16 beinhalten.
• In einem Betriebsbeispiel kann die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14 innerhalb des Axialverdichters 11 einen Luftstrom verdichten. In der Brennkammer 12 kann Energie freigesetzt werden, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und entzündet wird. Der sich dadurch ergebende Strom heißer Gase aus der Brennkammer 12, der als das Arbeitsfluid bezeichnet werden kann, wird dann über die Turbinenlaufschaufeln 16 geleitet, wobei der Arbeitsfluidstrom die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 16 um die Welle bewirkt. Dadurch wird die Strömungsenergie des Arbeitsfluids in die mechanische Energie der umlaufenden Schaufeln und, aufgrund der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle, der rotierenden Welle umgesetzt. Die mechanische Energie der Welle kann dann zum Antreiben der Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14, so dass die notwendige Zufuhr von verdichteter Luft erzeugt wird, und auch z.B. eines Generators zur Elektrizitätserzeugung verwendet werden.
• 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel 16 des Typs, bei dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Turbinenlaufschaufel 16 beinhaltet eine Wurzel 21, über die die Laufschaufel 16 an einem Laufrad angebracht wird. Die Wurzel 21 kann einen Schwalbenschwanz beinhalten, der zum Einbau in einer entsprechenden Schwalbenschwanznut im Außenrand des Laufrads gestaltet ist. Die Wurzel 21 kann ferner einen Schaft beinhalten, der zwischen dem Schwalbenschwanz und einer Plattform 24 verläuft, die an der Verbindungsstelle des Schaufelblatts 25 und der Wurzel 21 angeordnet ist und einen Teil der innenliegenden Grenze des Strömungswegs durch die Turbine 13 definiert. Es ist zu beachten, dass das Schaufelblatt 25 die aktive Komponente der Laufschaufel 16 ist, die den Arbeitsfluidstrom abfängt und das Laufrad zum Drehen veranlasst. Die Schaufel in diesem Beispiel ist zwar eine Turbinenlaufschaufel 16, es ist aber zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Schaufeltypen innerhalb der Turbinenmaschine 10 angewendet werden kann, einschließlich der Turbinenleitschaufeln 17. Es ist erkennbar, dass das Schaufelblatt 25 der Laufschaufel 16 eine konkave druckseitige Außenwand 26 und eine in Umfangsrichtung oder quer gegenüberliegende konvexe saugseitige Außenwand 27 beinhaltet, die sich axial zwischen einer Vorder- und einer Hinterkante 28 bzw. 29 erstrecken, die einander entgegengesetzt sind. Die Seitenwände 26 und 27 verlaufen auch von der Plattform 24 in der radialen Richtung zu einer außenliegenden Spitze 31. (Es ist zu beachten, dass die Anwendung der vorliegenden Erfindung möglicherweise nicht auf Turbinenlaufschaufeln beschränkt ist, sondern auch auf Leitschaufeln anwendbar ist. Die Nutzung von Laufschaufeln in den mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen ist, wenn nicht anders angegeben, beispielhaft.)
• 5 zeigt den Aufbau einer Innenwand, wie sie im Schaufelblatt 25 einer Laufschaufel mit einer konventionellen Konstruktion zu finden sein kann. Wie angedeutet, kann die Außenfläche des Schaufelblatts 25 von einer relativ dünnen druckseitigen Außenwand 26 und saugseitigen Außenwand 27 definiert werden, die über mehrere radial verlaufende und sich überkreuzende Rippen 60 verbunden sein können. Die Rippen 60 sind so gestaltet, dass sie dem Schaufelblatt 25 strukturelle Unterstützung bieten und gleichzeitig auch mehrere radial verlaufende und im Wesentlichen getrennte Strömungsdurchgänge 40 definieren. Die Rippen 60 verlaufen gewöhnlich radial, um die Strömungsdurchgänge 44 über einen Großteil der radialen Höhe des Schaufelblatts 25 hinweg abzuteilen, der Strömungsdurchgang kann aber, wie unten noch weiter besprochen wird, am Außenrand des Schaufelblatts entlang verbunden sein, um einen Kühlkreis zu definieren. Das heißt, die Strömungsdurchgänge 40 können am außenliegenden oder innenliegenden Rand des Schaufelblatts 25 sowie über eine Anzahl kleinerer Verbindungsdurchgänge oder Prallöffnungen (nicht gezeigt), die dazwischen positioniert sein können, in Strömungsverbindung sein. Auf diese Weise können gewisse der Strömungsdurchgänge 40 zusammen einen gewundenen oder geschlängelten Kühlkreis bilden. Außerdem können Filmkühlungslöcher (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die Auslässe bereitstellen, durch die Kühlmittel aus den Strömungsdurchgängen 40 auf die Außenfläche des Schaufelblatts 25 hinausgelassen wird.
• Zu den Rippen 60 können zwei verschiedene Typen gehören, die dann, wie hierin vorgesehen ist, weiter unterteilt werden können. Ein erster Typ, eine Skelettlinienrippe 62, ist gewöhnlich eine längere Rippe, die parallel oder etwa parallel zur Skelettlinie des Schaufelblatts verläuft, die eine sich von der Vorderkante 28 zur Hinterkante 29 erstreckende Bezugslinie ist, welche die Mittelpunkte zwischen der druckseitigen Außenwand 28 und der saugseitigen Außenwand 27 verbindet. Wie oft der Fall ist, beinhaltet die konventionelle Anordnung von 5 zwei Skelettlinienrippen 62, eine druckseitige Skelettlinienrippe 63, die angesichts dessen, wie sie von der druckseitigen Außenwand 26 versetzt und nahe an ihr ist, auch als die druckseitige Innenwand bezeichnet werden kann, und eine saugseitige Skelettlinienrippe 64, die auch als die angesichts dessen, wie sie von der saugseitigen Außenwand 27 versetzt und nahe an ihr ist, auch als die saugseitige Innenwand bezeichnet werden kann. Wie erwähnt, wird dieser Konstruktionstyp aufgrund der vorherrschenden vier Hauptwände, zu denen die zwei Seitenwände 26, 27 und die zwei Skelettlinienrippen 63, 64 gehören, oft als eine „vierwandige“ Anordnung bezeichnet.
• Der zweite Rippentyp wird hierin als eine Querrippe 66 bezeichnet. Querrippen 66 sind die kürzeren Rippen, welche die Wände und Innenrippen der vierwandigen Anordnung verbindend gezeigt werden. Wie angezeigt, können die vier Wände durch eine Anzahl von Querrippen 66 verbunden sein, die je nachdem, mit welcher der Wände sie verbunden sind, noch weiter eingestuft werden können. Wie hierin verwendet, werden die Querrippen 66, welche die druckseitige Außenwand 26 mit der druckseitigen Skelettlinienrippe 63 verbinden, als die druckseitigen Querrippen 67 bezeichnet. Die Querrippen 66, welche die saugseitige Außenwand 27 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 verbinden, werden als saugseitige Querrippen 68 bezeichnet. Schließlich werden die Querrippen 66, welche die druckseitige Skelettlinienrippe 63 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 verbinden, als mittlere Querrippen 69 bezeichnet.
• Im Allgemeinen hat die vierwandige Innenanordnung in einem Schaufelblatt 25 den Zweck, für effiziente wandnahe Kühlung zu sorgen, wobei die Kühlluft in Kanälen neben den Außenwänden 26, 27 des Schaufelblatts 25 strömt. Es ist zu beachten, dass wandnahe Kühlung vorteilhaft ist, weil die Kühlluft sich in enger Nähe der heißen Außenflächen des Schaufelblatts befindet, und die resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten sind aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit, die durch Hindurchführen des Durchflusses durch schmale Kanäle erzielt wird, hoch sind. Derartige Auslegungen sind aber dafür anfällig, aufgrund unterschiedlicher in dem Schaufelblatt 25 erfahrener Wärmeausdehnungsgrade eine Kurzzeitermüdung zu erfahren, die im Endeffekt die Lebensdauer der Laufschaufel verkürzen kann. Zum Beispiel ist die Wärmeausdehnung der saugseitigen Außenwände 27 im Betrieb größer als die der saugseitigen Skelettlinienrippe 64. Diese unterschiedliche Ausdehnung führt meist zur Vergrößerung der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 und verursacht dadurch Belastungen zwischen jeder dieser Strukturen sowie jener Strukturen, die sie miteinander verbinden. Außerdem ist die Wärmeausdehnung der druckseitigen Außenwand 26 auch größer als die der kühleren druckseitigen Skelettlinienrippe 63. In diesem Fall führt die Differenz zur Verkürzung der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 und verursacht dadurch Belastungen zwischen jeder dieser Strukturen sowie jener Strukturen, die sie miteinander verbinden. Die gegensätzlichen Kräfte innerhalb des Schaufelblatts, die in dem einen Fall zur Verkürzung der Schaufelblattskelettlinie tendieren und in dem anderen zu ihrer Verlängerung, können zu weiteren Belastungskonzentrationen führen. Die verschiedenen Arten, auf die sich diese Kräfte zeigen, werden angesichts der besonderen strukturellen Anordnung eines Schaufelblatts und der Art und Weise, wie die Kräfte dann ausgeglichen und kompensiert werden, zu einem bedeutenden bestimmenden Faktor der Teillebensdauer der Laufschaufel 16.
• Spezieller neigt in einer üblicheren Situation die saugseitige Außenwand 27 dazu, sich am Scheitelpunkt ihrer Krümmung nach außen zu biegen, wenn der Kontakt mit den hohen Temperaturen des Heißgaswegs sie zur Wärmeausdehnung veranlasst. Es ist zu erkennen, dass die saugseitige Skelettlinienrippe 64, die eine Innenwand ist, nicht den gleichen Wärmeausdehnungsgrad erfährt und daher nicht die gleiche Tendenz hat, sich nach außen zu biegen. Die Skelettlinienrippe 64 widersteht dann der wärmebedingten Vergrößerung der Außenwand 27. Weil konventionelle Konstruktionen Skelettlinienrippen 62 haben, die mit steifen Geometrien, die wenig oder keine Nachgiebigkeit bieten, ausgebildet sind, können die sich daraus ergebenden Widerstands- und Belastungskonzentrationen beträchtlich sein. Das Problem wird noch dadurch erschwert, dass die Querrippen 66, die zur Verbindung der Skelettlinienrippe 62 mit der Außenwand 27 verwendet werden, mit linearen Profilen ausgebildet und im Allgemeinen im rechten Winkel zu den Wänden, mit denen sie verbunden sind, ausgerichtet sind. Angesichts dieser Tatsache fungieren die Querrippen 66 bei der Ausdehnung der erhitzten Strukturen mit bedeutend unterschiedlichen Ausdehnungsraten eigentlich zum Festhalten der „kalten“ räumlichen Beziehung zwischen der Außenwand 27 und der Skelettlinienrippe 64. Dementsprechend sind konventionelle Anordnungen mit wenig oder keiner in die Struktur eingebauten „Nachgiebigkeit“ schlecht zur Entschärfung der Belastungen geeignet, die sich in gewissen Regionen der Struktur konzentrieren. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung führt zu Kurzzeitermüdungsproblemen, welche die Bauteillebensdauer verkürzen.
• In der Vergangenheit wurden bereits viele verschiedene innere Kühlsysteme und strukturelle Anordnungen für Schaufelblätter bewertet und es wurde versucht, dieses Problem zu berichtigen. Ein derartiger Ansatz schlägt die Überkühlung der Außenwände 26, 27 vor, so dass die Temperaturdifferenz und dadurch die Wärmeausdehnungsdifferenz verringert werden. Es ist aber zu beachten, dass die Art und Weise, wie dies gewöhnlich bewerkstelligt wird, darin besteht, die durch das Schaufelblatt umgewälzte Kühlmittelmenge zu vergrößern. Weil Kühlmittel gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Luft ist, beeinträchtigt sein erhöhter Verbrauch den Wirkungsgrad der Maschine und ist somit eine Lösung, die vorzugsweise zu vermeiden ist. Andere Lösungen haben die Verwendung von verbesserten Herstellungsverfahren und/oder kompliziertere Innenkühlungsstrukturen vorgeschlagen, die zwar die gleiche Kühlmittelmenge verwenden, sie aber effizienter nutzen. Diese Lösungen haben sich zwar in gewisser Hinsicht als effektiv erwiesen, jede bringt aber entweder zusätzliche Kosten für den Betrieb der Maschine oder die Herstellung des Teils mit sich und tut nichts, um das zugrundeliegende Problem direkt anzugehen, nämlich die geometrischen Mängel konventioneller Konstruktion angesichts dessen, wie sich Schaufelblätter während des Betriebs wärmebedingt ausdehnen.
• Die vorliegende Erfindung lehrt allgemein gewisse sich krümmende oder blasenartige oder sinusförmige oder wellige Innenrippen (im Folgenden „wellige Rippen”), die unausgeglichene Wärmebelastungen beseitigen, die oft im Schaufelblatt von Turbinenschaufeln auftreten. Im Rahmen dieses allgemeinen Konzepts beschreibt die vorliegende Erfindung mehrere Methoden, wie dies erreicht werden kann, zu denen wellige Skelettlinienrippen 62 und/oder Querrippen 66 sowie gewisse Typen von abgewinkelten Verbindungen zwischen ihnen und Skelettlinienrippen 62, die ein sich verschmälerndes Profil haben, zwischen verbindenden Querrippen 66, zählen. Es ist zu beachten, dass diese neuen Anordnungen – die, wie in den angehängten Ansprüchen umrissen, separat oder kombiniert eingesetzt werden können – die Steifigkeit der Innenstruktur des Schaufelblatts 25 reduzieren, um eine zielgerichtete Flexibilität bereitzustellen, durch die Belastungskonzentrationen zerstreut und Beanspruchungen auf andere strukturelle Regionen übertragen werden, die sie besser aushalten können. Dies kann z.B. das Ableiten an eine Region beinhalten, welche die Beanspruchung über eine größere Fläche oder vielleicht Struktur verteilt, die Zugspannungen zugunsten einer Druckbelastung abgibt, die gewöhnlich bevorzugt wird. Auf diese Weise können die Lebensdauer verkürzende Belastungskonzentrationen und Beanspruchungen vermieden werden.
• 6 bis 8 bieten Querschnittsansichten einer Turbinenlaufschaufel 16 mit einer Innenwandanordnung gemäß gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Anordnung von Rippen 60, die sowohl als strukturelle Unterstützung als auch als Unterteilungen verwendet werden, die hohle Schaufelblätter 25 in miteinander verbundene radial verlaufende Strömungsdurchgänge 40 aufteilen. Diese Strömungsdurchgänge 40 leiten einen Kühlmittelstrom auf besondere Weise durch das Schaufelblatt 25, so dass seine Nutzung zielgerichtet und effizienter ist. Die hierin gegebenen Beispiele werden zwar so gezeigt, wie sie in Turbinenlaufschaufeln 16 verwendet werden könnten, es ist aber zu erkennen, dass die gleichen Konzepte auch in Turbinenleitschaufeln 17 eingesetzt werden können. 6 veranschaulicht eine Rippenanordnung der vorliegenden Erfindung, die eine Skelettlinienrippe 62 mit einem welligen Profil hat (es ist vorgesehen, dass sich der Betriff „Profil“, wie hierin verwendet, auf die Form bezieht, die die Rippen in den Querschnittsansichten der 6 bis 8 haben). Eine Skelettlinienrippe 62, wie oben beschrieben, ist eine der längeren Rippen, die sich von einer Position nahe der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 in Richtung auf die Hinterkante 29 erstreckt. Diese Rippen werden als „Skelettlinienrippen“ bezeichnet, weil der von ihnen beschriebene Weg etwa parallel zur Skelettlinie des Schaufelblatts 25 ist, die eine Bezugslinie ist, die zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante 29 des Schaufelblatts 25 durch eine Sammlung von Punkten verläuft, die den gleichen Abstand zwischen der konkaven druckseitigen Außenwand 26 und der konvexen saugseitigen Außenwand 27 haben. Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein „welliges Profil“ eines, das eine merklich gekrümmte und sinusförmige Form hat, wie angedeutet. Das heißt, das „wellige Profil“ ist eines, das ein hin- und hergehendes „S“-Profil darstellt.
• Das bzw. die mit dem Wellenprofil gestaltete Segment oder Länge der Skelettlinienrippe 62 kann in Abhängigkeit von Konstruktionskriterien variieren. In den gegebenen Beispielen erstreckt sich die wellige Skelettlinienrippe 62 gewöhnlich von einer Position nahe der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 zu einer Position, die jenseits des Mittelpunkts der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 liegt. Es ist zu beachten, dass der wellige Teil der Skelettlinienrippe 62 eine kürzere Länge haben kann, während er noch die gleichen hierin besprochenen Typen von Leistungsvorteilen ergibt. Die Zahl der Krümmungen sowie die Länge des welligen Segments der Skelettlinienrippe 62 können zum Erzielen der besten Ergebnisse variiert werden. In gewissen Ausführungsformen wird die wellige Skelettlinienrippe 62 der vorliegenden Erfindung von der Zahl vollständiger hin- und hergehender „S”-Formen definiert, die sie enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Typs beinhaltet die wellige Skelettlinienrippe 62 wenigstens eine kontinuierliche hin- und hergehende „S“-Form. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die wellige Skelettlinienrippe 62 wenigstens zwei aufeinanderfolgende und kontinuierliche hin- und hergehende „S“-Formen. Es ist zu erkennen, dass die in den 6 und 7 gegebenen Beispiele jeweils Wege beschreiben, die mehr als zwei vollständige „S“-Formen haben. Bezüglich der Gesamtlänge kann das wellige Segment der Skelettlinienrippe 62 über einen beträchtlichen Teil der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 hinweg verlaufen. Zum Beispiel macht der wellige Teil der Skelettlinienrippe 62 in einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 6 und 7 gezeigt, wenigstens 69 % der Länge der Skelettlinie des Schaufelblatts 25 aus. Das heißt, der wellige Teil der Skelettlinienrippe 62 geht von nahe der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 aus und verläuft nach hinten und weit über den Scheitelpunkt der Krümmung des Schaufelblatts 25 hinaus.
• Es ist zu beachten, dass eine wellige Skelettlinienrippe 62 angesichts ihres gewundenen Profils einen Weg beschreiben kann, der in seiner Richtung variiert. Die wellige Skelettlinienrippe 62 der vorliegenden Erfindung kann immer noch als einen allgemein sich wölbenden Weg aufweisend beschrieben werden, über den sie sich windet, und dass dieser Weg gewöhnlich von einem Ausgangspunkt nahe der Vorderkante 28 zu einem hinteren Punkt nahe der Hinterkante 29 des Schaufelblatts verläuft. Es ist zu beachten, dass es im Fall einer welligen Skelettlinienrippe 62 dieser allgemeine sich wölbende Weg ist, der grob parallel zur Skelettlinie des Schaufelblatts 25 ist.
• Viele bekannte Anordnungen des Schaufelblatts 25, wie das oben besprochene vierwandige Beispiel von 5, beinhalten zwei Skelettlinienrippen 62. Dieser Anordnungstyp kann eine druckseitige Skelettlinienrippe 62, die sich nahe der druckseitigen Außenwand 26 befindet, und eine saugseitige Skelettlinienrippe 64, die sich nahe der saugseitigen Außenwand 27 befindet, aufweisend beschrieben werden. Die vorliegende Erfindung, wie in 6 und 7 gezeigt, kann Anordnungen beinhalten, in denen sowohl die saugseitige Skelettlinienrippe 64 als auch die druckseitige Skelettlinienrippe 63 als wellige Rippen ausgebildet sind. In alternativen Ausführungsformen kann nur eine dieser Skelettlinienrippen 62 ein welliges Profil haben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch in Anordnungen mit nur einer einzelnen Skelettlinienrippe 62 einsetzt werden kann.
• Bei Schaufelblättern 25, die zwei Skelettlinienrippen 62 beinhalten, ist zu beachten, dass die druckseitige Skelettlinienrippe 63 und die saugseitige Skelettlinienrippe 64 einen mittleren Strömungsdurchgang 40 definieren. Das wellige Profil für die druckseitige Skelettlinienrippe 63 und die saugseitige Skelettlinienrippe 64 kann jeweils relativ zu der Form definiert sein, die dem mittleren Strömungsweg 40 zugekehrte aufeinanderfolgende Segmente der Skelettlinienrippe 62 einnehmen. Das heißt, das wellige Profil der Skelettlinienrippe 62 kann zum Beispiel relativ zum zentralen Strömungsweg 40 als zwei aufeinanderfolgende Segmente beinhaltend beschrieben werden, bei denen ein erstes konkaves Segment in ein zweites konvexes Segment übergeht. In einer alternativen Ausführungsform kann das wellige Profil vier Segmente haben, in denen: ein erstes konkaves Segment in ein zweites konvexes Segment übergeht, wobei das zweite konvexe Segment in ein drittes konkaves Segment übergeht und das dritte konkave Segment in ein viertes konvexes Segment übergeht.
• In gewissen Ausführungsformen lehrt die vorliegende Erfindung gewisse Anordnungen von Querrippen 66, die eingesetzt werden können, um die Nachgiebigkeit des Schaufelblatts 25 abzustimmen. Querrippen 66, wie hierin verwendet, sind die kürzeren Rippen, die quer durch das Schaufelblatt 25 verlaufen. Querrippen 66 werden zum Verbinden von Skelettlinienrippen 62 mit anderen Skelettlinienrippen oder mit einer der Außenwände 26, 27 des Schaufelblatts 25 verwendet. Es ist zu beachten, dass bei einer derartigen Anordnung Querrippen 66 auch als Trennwände zu den Strömungsdurchgängen 40 dienen, die zwischen den Außenwänden 26, 27 und den Skelettlinienrippen 62 ausgebildet sind. Wie veranschaulicht, sind die druckseitige Außenwand 26 und die druckseitige Skelettlinienrippe 63 so angeordnet, dass sie zwischen sich einen druckseitigen Strömungsdurchgang 40 definieren. Desgleichen sind die saugseitige Außenwand 27 und die saugseitige Skelettlinienrippe 64 so angeordnet, dass sie zwischen sich einen saugseitigen Strömungsdurchgang 40 definieren. Zwischen der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und der druckseitigen Skelettlinienrippe 63 ist der mittlere Strömungsdurchgang 40 definiert. Wie angedeutet, können diese Strömungsdurchgänge 40 dann von den Querrippen 66 weiter unterteilt werden. In gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbinden mehrere druckseitige Querrippen 67 die druckseitige Außenwand 26 mit der druckseitigen Skelettlinienrippe 63. Die druckseitigen Querrippen 67 unterteilen so den druckseitigen Strömungsdurchgang 40 in eine Anzahl separater, axial stapelförmig angeordneter Strömungsdurchgänge 40. Desgleichen verbinden mehrere saugseitige Querrippen 68 die saugseitige Außenwand 27 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und unterteilen den saugseitigen Strömungsdurchgang 40 in eine Anzahl separater, axial stapelförmig angeordneter Strömungsdurchgänge 40. Mittlere Querrippen 69 verbinden die druckseitige Skelettlinienrippe 63 mit der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und untergliedern den mittleren Strömungsdurchgang auf ähnliche Weise.
• Die Skelettlinienrippen 62 und die Querrippen 66 können als radial verlaufende Wände angeordnet sein. Das heißt, diese Rippen können die in den Querschnittansichten der 6 bis 8 gezeigten Profile bilden, während sie radial zwischen den zwei Enden des Schaufelblatts 25 verlaufen. Auf diese Weise können die druckseitigen Strömungsdurchgänge, die saugseitigen Strömungsdurchgänge und die mittleren Strömungsdurchgänge 40 radial zwischen einem innenliegenden Ende, das nahe der Grenzfläche zwischen dem Schaufelblatt 25 und der Schaufelwurzel 21 ist, und einem außenliegenden Ende, das nahe der außenliegenden Spitze des Schaufelblatts 25 ist, verlaufen. Im Gebrauch kann eine Kühlmittelzufuhr über einen Versorgungsdurchgang, der durch eine Schaufelwurzel 21 verläuft, zu einem oder mehreren der innenliegenden Enden der Strömungsdurchgänge 40 zugeführt werden. Es ist zu beachten, dass die Strömungsdurchgänge 40 an ihren innen- oder außenliegenden Enden selektiv miteinander verbunden werden können, um einen geschlängelten Kühlmittelweg durch das Schaufelblatt 25 herzustellen.
• Wie in 6 veranschaulicht, können Rippenanordnungen der vorliegenden Erfindung mehrere Querrippen 66 auf jeder der Druck- und der Saugseite des Schaufelblatts 25 beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform können wenigstens fünf druckseitige Querrippen 67 und fünf saugseitige Querrippen 68 eingeschlossen sein. Mehrere mittlere Querrippen 69 können ebenfalls vorgesehen sein, in anderen Ausführungsformen kann aber auch eine einzelne Querrippe 69 verwendet werden. In den bevorzugten Ausführungsformen kann, wie gezeigt, die vorliegende Erfindung wenigstens zwei mittlere Querrippen 69 beinhalten. Die vorliegende Erfindung beschreibt des Weiteren ein Verbindungsgebilde, durch das die Querrippen 66 mit den Außenwänden 26, 27 und/oder den Skelettlinienrippen 62 verbunden sind. Es ist zu erkennen, dass der Winkel, in dem die Querrippen 66 sich mit derartigen Wänden 26, 27, 62 schneiden, als ein „Verbindungswinkel“ beschrieben werden kann (es ist zu erkennen, dass der genannte „Verbindungswinkel“ der kleinere der zwei Winkel ist, die auf beiden Seiten jedes Endes einer Querrippe zwischen der Querrippe und der von ihr geschnittenen Wand ausgebildet sind). In konventionellen Schaufelblattanordnungen, wie oben erwähnt, ist der Verbindungswinkel ein steiler, allgemein nahe an 90°. Es ist zu erkennen, dass steile Winkel wie dieser eine steife Struktur ergeben. Die vorliegende Erfindung lehrt Winkel, die bedeutend kleiner als 90° sind, als eine Methode, mit der die Struktur des Schaufelblatts 25 oder Zielbereiche der Struktur nachgiebiger gemacht werden können. Gemäß einer Ausführungsform, wie in den 6 und 7 gezeigt, können wenigstens zwei der druckseitigen Querrippen 67 so angeordnet sein, dass sie einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad zur druckseitigen Außenwand 26 haben. Gemäß anderen Ausführungsformen, wie angedeutet, können wenigstens zwei der saugseitigen Querrippen 68 so angeordnet sein, dass sie mit der saugseitigen Außenwand 27 einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad bilden. Die mittleren Querrippen 69 können ähnlich gebildet sein und Anordnungen der vorliegenden Erfindung beinhalten wenigstens einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad an jeder der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und der druckseitigen Skelettlinienrippe 63. Wo größere Nachgiebigkeit erforderlich ist, können Ausführungsformen beinhalten, dass drei der druckseitigen Querrippen 67 und drei der saugseitigen Querrippen 68 so angeordnet sind, dass sie einen Verbindungswinkel zu den Außenwänden 26, 27 von weniger als 60 Grad haben, und wenigstens zwei der mittleren Querrippen 69 können so angeordnet sein, dass sie an jeder der saugseitigen Skelettlinienrippe 64 und der druckseitigen Skelettlinienrippe 63 einen Verbindungswinkel von weniger als 60 Grad bilden.
• Die vorliegende Erfindung beschreibt ferner eine weitere Weise, auf die die Querrippen 66 die strukturelle Nachgiebigkeit verbessern können. Querrippen 66 sind gewöhnlich mit einem linearen Profil ausgebildet, was, wie zu erkennen ist, zu einer steifen und unnachgiebigen Anordnung führt. Gemäß gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Querrippen 66 ein gekrümmtes Profil aufweisend angeordnet. Speziell, wie in jedem der Beispiele in den 6 bis 8 gezeigt wird, können die Querrippen 69 ein gekrümmtes, bogenförmiges oder sich wölbendes Profil beinhalten. Mit diesem Profil werden die Querrippen 66 viel nachgiebiger und mehr in der Lage, relative Bewegung zwischen den von ihnen miteinander verbundenen Strukturwänden aufnehmen. Die Richtung, in der das gekrümmte sich wölbende Profil der Querrippe ausgerichtet ist, kann manipuliert werden, um den Typen erwarteter Belastungen gerecht zu werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 6 veranschaulicht, kann die Wölbung der mittleren Querrippe 69 so gerichtet sein, dass die konkave Stirnfläche der mittleren Querrippe 69 auf die Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 gerichtet ist. Diese Ausrichtung kann an allen der Querrippen 69 vorgenommen werden, die in einer speziellen Struktur oder einem Bruchteil davon enthalten sind. In einer alternativen Ausführungsform, wie in 7 veranschaulicht, kann die Wölbung der mittleren Querrippen 69 so gerichtet sei, dass die konvexe Stirnfläche der Querrippe von der Vorderkante 28 des Schaufelblatts 25 weggerichtet ist. Dieser Profiltyp kann an allen der mittleren Querrippen 69 oder nur einem Bruchteil von ihnen verwendet werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Innenstruktur eines Schaufelblatts entlang der Skelettlinienrichtung des Schaufelblatts wellige Rippen beinhalten. Indem die Skelettlinienrippe 62 auf diese Weise zu einer Feder gemacht wird, kann das innere Rückgrat des Schaufelblatts nachgiebiger gemacht werden, so dass Leistungsvorteile erzielt werden können. Außerdem können die Querrippen der Schaufelblattstruktur gekrümmt sein, um den Belastungsweg weiter zu erweichen und um mit den Rippen 62 und den durch sie verbundenen Außenwänden 26, 27 nachgiebigere Verbindungen herzustellen. Während die normalen linearen Rippenkonstruktionen hohe Belastung und Kurzzeitermüdung aufgrund des thermischen Konflikts zwischen den inneren Kühlraumwänden und den viel heißeren Außenwänden erfahren, sieht die vorliegende Erfindung einen federartigen Aufbau vor, der Belastungskonzentrationen besser verstreuen kann, was, wie hierin vorgesehen, zur Verbesserung der Lebensdauer des Bauteils verwendet werden kann.
• Die 7 und 8 veranschaulichen einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, in dem ein oder mehrere Segmente 73 einer Skelettlinienrippe 62 mit einem sich verschmälernden Profil 72 oder ausgebildet sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie hierin verwendet, ist ein „sich verschmälerndes Profil“ eines, bei dem die Rippendicke sich von entgegengesetzten Enden 75 des Segments 73 her verschmälert, um einen Hals oder eine schmale Region zwischen ihnen zu bilden. Auf andere Weise beschrieben, ist ein sich verschmälerndes Profil 72 eines, bei dem das Skelettlinienrippensegment 73 eine Dicke hat, die sich auf seinem Verlauf 75 von dem Hals 74 nach außen allmählich in beiden Richtungen aufweitet oder verdickt. Es ist zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 bei dieser Anordnung einer Sanduhrform ähnlich ist.
• Das sich verschmälernde Profil 72 der vorliegenden Erfindung kann in Strömungsdurchgängen 40 enthalten sein, die von einer Skelettlinienrippe 62 einwärts definiert sind. In bevorzugten Ausführungsformen, wie angedeutet, ist das sich verschmälernde Profil 72 auf ein Skelettlinienrippensegment 73 angewendet, das in Bezug auf die Anordnung von wandnahen Strömungsdurchgängen 40 definiert ist, die zwischen der Skelettlinienrippe 62 und einer der Außenwände 26, 27 des Schaufelblatts 25 ausgebildet ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Segment 73 mit dem sich verschmälernden Profil 72 zwischen aufeinanderfolgenden Querrippen 66 definiert. Speziell ist zu erkennen, dass die wandnahen Strömungsdurchgänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Querrippen 66 definiert sind, welche die Außenwand 26, 27 des Schaufelblatts 25 mit einer Skelettlinienrippe 62 verbinden. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Skelettlinienrippensegment 73, auf das das sich verjüngende Profil 72 angewendet wird, die Länge der Skelettlinienrippe 62, die zwischen den Punkten definiert ist, an welchen jede dieser aufeinanderfolgenden Querrippen 66 die Skelettlinienrippe 62 schneidet. Das so definierte Skelettlinienrippensegment 73 kann als ein Querrippe-Querrippe-Segment bezeichnet werden.
• Wie in 8 angedeutet, kann das sich verschmälernde Profil 72 mit Skelettlinienrippen 62 verwendet werden, die eine wellige oder sinusförmige Form haben, wobei es in diesem Fall mit jeder beliebigen der Anordnungen verwendet werden kann, die oben in Bezug auf andere Aspekte der vorliegenden Erfindung besprochen werden. Das sich verschmälernde Profil 72 ist aber nicht auf diesen Nutzungstyp beschränkt. Wie in 7 gezeigt, kann das sich verschmälernde Profil 72 in Verbindung mit traditionell ausgebildeten Skelettlinienrippen 62 verwendet werden, d.h. jenen, die eine Achse haben, die im Wesentlichen linear ist. In bevorzugten Ausführungsformen kann das sich verschmälernde Profil 72 an den Skelettlinienrippen 62 von zwei oder mehreren nacheinander ausgebildeten Strömungsdurchgängen 40 verwendet werden. Es ist aber zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 noch gewisse Leistungsvorteile bieten kann, wenn es an dem Skelettliniensegment 73 eines einzelnen Strömungsdurchgangs 40 verwendet wird. Es ist auch zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 an Skelettliniensegmenten 73 der druckseitigen Skelettlinienrippen 62, der saugseitigen Skelettlinienrippen 62 oder beiden verwendet werden kann.
• Wie in den 7 und 8 vorgesehen, kann das sich verschmälernde Profil 72 eine gekrümmte oder lineare Form beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das sich verschmälernde Profil 72 eine konturierte Form, die sich ab dem Hals 74 zunehmend verbreitert. Wie angedeutet, kann der Hals 74 in einer bevorzugten Ausführungsform an oder nahe dem Mittelpunkt des Segments 73 der Skelettlinienrippe 62 positioniert sein. Es versteht sich, dass der Hals 74 als eine „Halsdicke“ aufweisend beschrieben werden kann, während jedes der entgegengesetzten Enden 75 des Segments 73 als eine „Enddicke“ aufweisend beschrieben werden kann, die in den 7 bzw. 8 als Abstand 77 bzw. Abstand 78 dargestellt werden. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Enddicke 78 jedes der Enden 75 wenigstens 1,5-mal so groß wie die Halsdicke 77. In einer alternativen Ausführungsform ist die Enddicke 78 jedes der Enden 75 wenigstens zweimal so groß wie die Halsdicke 77. Das sich verschmälernde Profil zwischen den entgegengesetzten Enden 75 und dem Hals 74 kann sich auf glatte und/oder konstante Weise verschmälern, was Belastungskonzentrationen minimiert.
• Es ist zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 der vorliegenden Erfindung eine weitere Weise vorsieht, auf die die Nachgiebigkeit der Schaufelblattstruktur verbessert oder weiter abgestimmt werden kann, um Belastungen infolge unausgeglichener thermischer Ausdehnung zu minimieren oder zu verteilen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das sich verschmälernde Profil 72 in Verbindung mit Aspekten der welligen Skelettlinienrippen 62 verwendet werden, um die Nachgiebigkeit der „Feder“, die diese Rippen allgemein bilden, zu verbessern. In diesem Fall versteht es sich, dass das sich verschmälernde Profil 72 die Federwirkung der welligen Wände verbessert und dadurch die von der Innenstruktur des Schaufelblatts 25 erfahrene Belastung reduziert. In diesem Sinne ist mit weiterem Bezug auf 8 zu erkennen, dass das sich verschmälernde Profil 72 die gekrümmten Segmente 73 der welligen Rippen mit der Nachgiebigkeit versieht, um sich als Reaktion auf eine Zugbeanspruchung geradezurichten und sich als Reaktion auf eine Druckbeanspruchung weiter zu biegen. Wie angegeben, kann das sich verschmälernde Profil 72 als Mittel zum Versehen der Schaufelblattstruktur mit wenigstens einem gewissen Grad an verbesserter Nachgiebigkeit auch mit konventionelleren Skelettlinienrippen 62 des linearen Typs verwendet werden. Das resultierende geringere Belastungsniveau, das dieser Rippenanordnungstyp bereitstellt, kann zur Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils verwendet werden.
• 9 und 10 veranschaulichen einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei der die oben besprochenen welligen Wände in Verbindung mit Prallöffnungen verwendet werden, um Innenkühlungssysteme der Schaufelblätter zu verbessern. In 9, auf die Bezug genommen wird, wird ein konventionelles Prallkühlungsgebilde gezeigt. Es versteht sich, dass dieses Gebilde generell eine Struktur beinhaltet, die durch einen Strom von Prallkühlmittel gekühlt wird (wobei die gekühlte Struktur in dieser Darstellung allgemein von einer Wand 80 dargestellt wird). In einem zur Wand 80 beabstandetem Verhältnis befindet sich eine Prallstruktur 82, die gekühlt wird. Es ist zu erkennen, dass die Wand 80 zum Beispiel die Außenwand 26, 27 eines Schaufelblatts 25 darstellen kann und die Prallstruktur 82 von einer Skelettlinienrippe 62 oder einer anderen ähnlichen Struktur oder Rippe innerhalb des Schaufelblatts 25 darstellen kann. Es ist zu erkennen, dass die Wand 80 als eine erhitzte Oberfläche 84, d.h. die Seite, die den hohen Temperaturen der heißen Gase ausgesetzt ist, und eine Zielfläche 85, die die entgegengesetzte Seite der Wand 80 und die Oberfläche ist, die der Prallstruktur 82 gegenüberliegt und auf die das Prallkühlmittel gerichtet wird, aufweisend beschrieben werden kann. Bei diesem konventionellen Gebilde, wie angedeutet, ist die Prallstruktur 82 linear und im typischen Fall so angeordnet, dass sie sich in einer etwa konstanten Entfernung von der Wand 80 befindet. Auf diese Weise kann die Prallstruktur 82 einen Prallraum oder -strömungsdurchgang 86 zwischen ihr selbst und der Wand 80 bilden. Wie gezeigt, beinhaltet die Prallstruktur 82 eine Anzahl von Prallöffnungen 87. Es ist zu erkennen, dass auf der anderen Seite der Prallstruktur 82 ein Versorgungsraum oder Kühlmittelhohlraum 88 vorgesehen ist, durch den unter Druck stehendes Kühlmittel den Prallöffnungen zugeführt wird. Das heißt, der Kühlmittelhohlraum 88 ist der Hohlraum, zu dem eine Kühlmittelzufuhr (der von den Pfeilen 89 dargestellte Strom) geleitet wird, so dass sie durch die Prallöffnungen 87 gezwungen oder geführt wird. So verstärkt, wird das Kühlmittel in eine Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Kühlmittelstrahlen (deren Strom von den Pfeilen 90 dargestellt wird) umgewandelt, die auf die Wand 80 gerichtet sind. Es ist zu erkennen, dass das zentrale Konzept dieser Kühltechnik die Nutzung des hohen Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) ist, der sich ergibt, wenn die Kühlmittelstrahlen gegen eine in der Nähe liegende Zielfläche gerichtet werden, so dass Wärme mit hoher Geschwindigkeit durch Konvektion von der Zielfläche abgeleitet wird.
• Nachdem das Prallkühlmittel an der Wand 80 verbraucht wird und seine Temperatur auf einen Wert erhöht wird, der seine Wirksamkeit vermindert, muss es auf eine Weise entfernt werden, die das in den Strömungsdurchgang eintretende frische Kühlmittel nicht stört. Im typischen Fall beeinträchtigt aber ein Querstrom von verbrauchtem Kühlmittel (dessen Strom von den Pfeilen 91 dargestellt wird) die Kühlungswirksamkeit des ankommenden frischen Kühlmittels. Die Stärke des Querstroms von verbrauchtem Kühlmittel nimmt gewöhnlich mit zunehmender Nähe zu einem Hohlraumauslass zu und dieser verstärkte Querstrom leitet die Kühlmittelstrahlen um, so dass sie nicht mehr in einem steilen, lotrechten Winkel auf die Wand 80 aufschlagen, was selbstverständlich einen negativen Einfluss auf die Kühlungswirksamkeit des Prallkühlmittels hat. Dieser Beeinträchtigungstyp wird oft als Strahlvektoränderung bezeichnet. Der Querstrom von verbrauchtem Kühlmittel ändert die Richtung der Kühlmittelstrahlen, so dass der Strahl nicht mehr lotrecht auf die Zielfläche aufschlägt, was seine Kühlungswirksamkeit verringert.
• Außerdem ist angesichts der allgemeinen Strömungsbilder konventioneller Prallkühlungsgebilde, wie in 9 gezeigt, zu erkennen, dass beträchtliche Mengen von verbrauchtem Kühlmittel quer vor anderen Prallöffnungen 87 (d.h. zwischen den Prallöffnungen 87 und der Wand 80) hindurchströmen, so dass die Grenzschicht von Kühlmittel höherer Temperatur die Kühlungswirksamkeit von ankommendem Kühlmittel noch mehr beeinträchtigt. Spezieller hat der Querstrom von verbrauchtem Kühlmittel aufgrund der Wärme, die es bereits aus der Wand 80 absorbiert hat, eine höhere Temperatur als frisches Kühlmittel, das von einem der Prallstrahlen in den Hohlraum 88 eintritt. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass der Querstrom von verbrauchtem Kühlmittel die Kühlung der Wand 80 durch Vermischung mit dem frischem Kühlmittel und dadurch Anheben der Temperatur der Kühlmittelstrahlen und Reduzieren der Temperaturdifferenz zwischen der Wand 80 und dem Kühlmittelstrom gegen sie behindert. Dieser Grenzschichteffekt reduziert den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem Kühlmittel und der Wand 80 und beeinträchtigt dadurch die Kühlungswirksamkeit noch weiter.
• Wenn der Querstrom von verbrauchtem Kühlmittel innerhalb des Kühlmittelhohlraums 88 reduziert oder so umgeleitet würde, dass er frisches Kühlmittel nicht daran hindern würde, direkt gegen die Wand 80 zu strömen, und keine Grenzschicht von verbrauchtem Kühlmittel erzeugen würde, durch die das frische Kühlmittel hindurchdringen muss, würde der Wärmeaustausch zwischen dem fließenden Kühlmittel und der Zielfläche verbessert werden. Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen wird, würde eine derartige Verbesserung der Kühlungswirksamkeit die zum Halten eines Bauteils innerhalb vorgeschriebener Grenzen erforderliche Menge des Kühlmittels reduzieren. Weil das Kühlmittel allgemein aus dem Verdichter abgezapft wird, erhöht eine Verringerung seines Verbrauchs die Gesamtleistung der Maschine.
• 10 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das wellige Profil einer Skelettlinienrippe 62 die Positionierung von Prallöffnungen 87 näher an der Zielfläche 85 ermöglicht, die in diesem beispielhaften Fall die saugseitige Außenwand 27 ist, die nach außen einen saugseitigen wandnahen Strömungsdurchgang 44 definiert. Wie gemäß dem welligen Profil gezeigt, beinhaltet die Skelettlinienrippe 62 abwechselnde Rückenteile 92 und Furchenteile 93. Die Rückenteile 92, wie hierin verwendet, sind die Segmente der welligen Skelettlinienrippe 62, die sich in Richtung auf die Zielfläche 85 erstrecken und in einer erhabenen Position im Verhältnis dazu befinden. Im Vergleich sind die Furchensegmente Segmente der welligen Skelettlinienrippe 62, die sich von der Zielfläche 85 weg erstrecken und in einer zurückgesetzten Position im Verhältnis dazu befinden. Von daher ist zu erkennen, dass die Rückenteile 92 sich näher an der Zielfläche 85 befinden als die Furchenteile 93. Des Weiteren liegen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Prallöffnungen 82 an den Rückenteilen 92 der Skelettlinienrippe 62. Vorzugsweise sind die Prallöffnungen 87 am Scheitelpunkt des Rückenteils 92 positioniert, der den der Zielfläche am nächsten liegenden Punkt darstellt.
• Zusätzlich dazu, dass die Prallöffnungen 87 näher an eine Zielfläche gebracht werden, ist auch zu erkennen, dass die Furchenteile 93 eine ausgesparte Rinne 94 in dem wandnahen Strömungsdurchgang 44 bereitstellen, in dem verbrauchtes Kühlmittel sich in Richtung auf einen Auslass bewegen kann, so dass die Störung des frischen Kühlmittels durch einen Querstrom minimal gehalten wird. Das heißt, die von jedem der Furchenteile 93 in dem saugseitigen wandnahen Strömungsdurchgang 44 gebildete ausgesparte Rinne 94 stellt einen Raum bereit, der einigermaßen von der Zielfläche 85 entfernt ist, in dem sich verbrauchtes Kühlmittel sammeln und zu einem Auslass strömen kann, ohne das frische Prallkühlmittel zu stören, das über die Prallöffnungen 87 weiterhin eintrifft. Die ausgesparten Rinnen 94 können daher angeordnet werden, um verbrauchtes Kühlmittel zu sammeln und an ihrer Längsachse entlang zu einem Auslass zu leiten. Es ist zu erkennen, dass in gewissen bevorzugten Ausführungsformen die Längsachse der Rückenteile 92 und der Furchenteile 93 fluchten, so dass sie allgemein in Richtung auf einen Auslass zeigen, der sich zum Beispiel in der Spitze 31 des Schaufelblatts 25 befinden kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform können die Prallöffnungen 87 auf einer Achse ausgebildet sein, die mit dem Scheitelpunkt von einem der Rückenteile 92 zusammenfällt. Die Prallöffnungen 87 können am Scheitelpunkt des Rückenteils 92 entlang, der, wie veranschaulicht, radial durch das Schaufelblatt 25 verlaufen kann, in regelmäßigen Abständen radial voneinander beabstandet sein. In einigen Ausführungsformen können an jedem Rückenteil 92 zwei oder mehr Reihen von Prallöffnungen 87 positioniert sein. In diesem Fall können die Prallöffnungen 87 auf jede Seite des Scheitelpunkts des Rückenteils 92 versetzt sein, wie in einem der Beispiele von 10 angedeutet wird. In Ausführungsformen mit zwei Reihen von Prallöffnungen 87 können die Öffnungen 87 jeder Reihe radial gegeneinander gestaffelt sein, um Störung durch Querstrom zu minimieren. Das heißt, die radiale Position jeder Prallöffnung 87 kann auf den ungefähren radialen Mittelpunkt eines entsprechenden Paares von Prallöffnungen 87 in der benachbarten Reihe fallen.
• Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf die mehreren beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, des Weiteren selektiv angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um eine gewisse Kürze zu bewahren und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns werden zwar nicht alle möglichen Iterationen bereitgestellt oder ausführlich besprochen, es ist aber vorgesehen, dass alle von den mehreren Ansprüchen unten oder anderweitig umfassten Kombinationen und möglichen Ausführungsformen Teil der vorliegenden Patentanmeldung bilden. Außerdem können fachkundige Personen anhand der obigen Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen erkennen. Es ist vorgesehen, dass derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb der Fähigkeiten des Technik ebenfalls von den angehängten Ansprüchen abgedeckt werden. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das Vorangehende sich nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung bezieht und dass hierin zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Patentanmeldung, wie sie von den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert wird, abzuweichen.
• Eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, das von Außenwänden definiert wird, bei denen eine konkav geformte druckseitige Außenwand und eine konvex geformte saugseitige Außenwand an einer Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und eine Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden. Die Turbinenschaufel kann eine Rippenanordnung beinhalten, die die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge unterteilt. Die Rippenanordnung kann eine Rippe mit einem welligen Profil beinhalten, das durch einen der Strömungsdurchgänge einer Zielfläche gegenüberliegt. Relativ zur Zielfläche kann das wellige Profil der Rippe einen Rückenteil und einen Furchenteil beinhalten. Die Rippe kann durch den Rückenteil ausgebildete Prallöffnungen beinhalten.
• Bezugszeichenliste

10

Verbrennungsturbinenmaschine

11

Verdichter

12

Brennkammer

13

Turbine

14

Verdichterlaufschaufel

15

Verdichterleitschaufel

16

Turbinenlaufschaufel

17

Turbinenleitschaufel

21

Wurzel

24

Plattform

25

Schaufelblatt

26

Druckseitige Außenwand

27

Saugseitige Außenwand

28

Vorderkante

29

Hinterkante

31

Außenliegende Spitze

40

Strömungsdurchgang

41

Mittlerer Strömungsdurchgang

42

Vorderkanten-Strömungsdurchgang

43

Druckseitiger wandnaher Strömungsdurchgang

44

Saugseitiger wandnaher Strömungsdurchgang

45

Zuleitung

46

Loch

47

Verbindungsdurchgang

48

Prallverbinder

49

Oberflächenauslass

60

Rippe

62

Skelettlinienrippe

63

Druckseitige Skelettlinienrippe

64

Saugseitige Skelettlinienrippe

66

Querrippe

67

Druckseitige Querrippe

68

Saugseitige Querrippe

69

Mittlere Querrippe

80

Außenwand

82

Prallstruktur

83

Pfeil (heiße Gase)

84

Erhitzte Oberfläche

85

Zielfläche

86

Prallraum

87

Prallöffnung

88

Kühlmittelhohlraum

89

Pfeil (Kühlmittelzufuhr)

90

Pfeil (Kühlmittelstrahlen)

91

Pfeil (verbrauchtes Kühlmittel)

92

Rücken

93

Furche

94

Ausgesparte Rinne

Claims (10)

1. Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, das von Außenwänden definiert wird, bei denen eine konkav geformte druckseitige Außenwand und eine konvex geformte saugseitige Außenwand an einer Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und dazwischen eine Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden, wobei die Turbinenschaufel Folgendes aufweist: eine Rippenanordnung, die die Kammer in radial verlaufende Strömungsdurchgänge unterteilt, wobei die Rippenanordnung eine Rippe mit einem welligen Profil beinhaltet, das durch einen der Strömungsdurchgänge einer Zielfläche gegenüberliegt, wobei, relativ zur Zielfläche, das wellige Profil der Rippe einen Rückenteil und einen Furchenteil beinhaltet und wobei die Rippe durch den Rückenteil ausgebildete Prallöffnungen beinhaltet.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei einer der Strömungsdurchgänge einen wandnahen Strömungsdurchgang umfasst, wobei die Rippe eine Skelettlinienrippe umfasst, die an einer der Außenwände des Schaufelblatts entlang verläuft, um dazwischen die wandnahe Strömungskammer zu definieren, und wobei die Zielfläche eine Innenfläche der einen der Außenwände des Schaufelblatts umfasst.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei das wellige Profil so angeordnet ist, dass der Rückenteil der Skelettlinienrippe zur Zielfläche hin vorsteht, während der Furchenteil von der Zielfläche weg zurückversetzt ist, und/oder wobei der Rückenteil und der Furchenteil aufeinanderfolgende Segmente der Skelettlinienrippe umfassen und wobei der Furchenteil ein zurückgesetztes Segment umfasst, während der Rückenteil ein erhabenes Segment umfasst, relativ zur Nähe jedes Segments zur Zielfläche.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe eine Form der Skelettlinienrippe von einer Querschnittsperspektive des Schaufelblatts umfasst, und wobei die Prallöffnungen jeweils zum Hindurchführen eines Stroms von druckbeaufschlagtem Kühlmittel und zum Richten eines resultierenden Kühlmittelstrahls gegen die Zielfläche angeordnet sind, und/oder wobei auf einer dem wandnahen Strömungsdurchgang entgegengesetzten Seite der Skelettlinienrippe ein mittlerer Strömungsdurchgang ausgebildet ist, wobei der mittlere Strömungsdurchgang relativ zu einer Kühlmittelzufuhr und einem Kühlkreis, der durch die Turbinenschaufel angeordnet ist, eine stromaufwärtige Position relativ zum wandnahen Strömungsdurchgang aufweist und wobei der mittlere Strömungsdurchgang zum Zuführen einer über den Kühlkreis in ihn eingeführten Kühlmittelzufuhr zu den Prallöffnungen angeordnet ist und/oder wobei das wellige wellige Profil der Skelettlinienrippe wenigstens eine hin- und hergehende „S”-Form aufweist und wobei die Turbinenschaufel eine Turbinenlaufschaufel umfasst.
5. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe wenigstens eine sinusförmige Anordnung beinhaltet, bei der der Rückenteil ein Segment der Skelettlinienrippe umfasst, das sich zur Zielfläche hin krümmt, und der Furchenteil ein Segment umfasst, das sich von der Zielfläche weg krümmt, wobei der Rückenteil der Zielfläche eine konvexe Stirnfläche präsentiert und der Furchenteil der Zielfläche eine konkave Stirnfläche präsentiert und wobei der Rückenteil so angeordnet ist, dass die konvexe Stirnfläche sich in enger Nähe der Zielfläche befindet.
6. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prallöffnungen in einer Reihe angeordnet sind, die an einer Längsachse des Rückenteils entlang ausgerichtet ist, und wobei die Prallöffnungen in regelmäßigen radialen Abständen angeordnet sind.
7. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, wobei die konvexe Stirnfläche des Rückenteils einen Scheitelpunkt beinhaltet, der einen der Zielfläche am nächsten liegenden Punkt darstellt, wobei die Prallöffnungen am Scheitelpunkt der konvexen Stirnfläche des Rückenteils entlang ausgerichtet sind, und/oder wobei die konvexe Stirnfläche des Rückenteils einen Scheitelpunkt beinhaltet, der einen der Zielfläche am nächsten liegenden Punkt darstellt, wobei der Scheitelpunkt des Rückenteils eine radial verlaufende Längsachse aufweist, wobei die Prallöffnungen zwei parallele Reihen auf dem Rücken umfassen, wobei die zwei Reihen auf jede Seite der Längsachse des Scheitelpunkts des Rückenteils versetzt sind.
8. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prallöffnungen in jeder der zwei Reihen in regelmäßigen radialen Abständen voneinander beabstandet sind und wobei die Prallöffnungspositionierung der zwei Reihen eine gestaffelte Ausrichtung umfasst, so dass eine Position einer Prallöffnung in einer ersten der zwei Reihen auf einen ungefähren Mittelpunkt relativ zu Positionen eines entsprechenden Paares von Prallöffnungen in einer zweiten der zwei Reihen fällt.
9. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei die Skelettlinienrippe eine druckseitige Skelettlinienrippe umfasst, die entlang und nahe der druckseitigen Außenwand verläuft, und wobei die Zielfläche eine Innenfläche der druckseitigen Außenwand des Schaufelblatts aufweist, und/oder wobei die Skelettlinienrippe eine saugseitige Skelettlinienrippe umfasst, die entlang und nahe der saugseitigen Außenwand verläuft, und wobei die Zielfläche eine Innenfläche der saugseitigen Außenwand des Schaufelblatts aufweist und/oder wobei die Rippenanordnung zwei Skelettlinienrippen beinhaltet: eine druckseitige Skelettlinienrippe, die entlang der druckseitigen Außenwand verläuft und dazwischen eine erste wandnahe Strömungskammer bildet, und eine saugseitige Skelettlinienrippe, die entlang der saugseitigen Außenwand verläuft und dazwischen eine zweite wandnahe Strömungskammer bildet, wobei sowohl die druckseitige Skelettlinienrippe als auch die saugseitige Skelettlinienrippe das wellige Profil umfasst, das den Rückenteil und den Furchenteil beinhaltet, wobei der Rückenteil von jeder der Skelettlinienrippen eine Reihe von durch ihn ausgebildeten, radial voneinander beabstandeten Prallöffnungen beinhaltet, und wobei die Zielfläche durch den ersten wandnahen Strömungsdurchgang hindurch die druckseitige Außenwand umfasst und wobei die Zielfläche durch den zweiten wandnahen Strömungsdurchgang hindurch die saugseitige Außenwand umfasst.
10. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe abwechselnde Rücken- und Furchenteile beinhaltet, bei denen wenigstens ein Rückenteil auf jeder Seite von einem Furchenteil flankiert wird, und wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe eine sinusförmige Anordnung beinhaltet, bei der der Rückenteil der Zielfläche eine konvexe Stirnfläche präsentiert und jeder der beiden flankierenden Furchenteile der Zielfläche eine konkave Stirnfläche präsentiert, und/oder wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe abwechselnde Rücken- und Furchenteile beinhaltet, bei denen ein erster Rückenteil auf jeder Seite von einem Furchenteil flankiert wird und ein zweiter Rückenteil auf jeder Seite von einem Furchenteil flankiert wird, und wobei das wellige Profil der Skelettlinienrippe eine sinusförmige Anordnung beinhaltet, bei der jeder der Rückenteile der Zielfläche eine konvexe Stirnfläche präsentiert und jeder der flankierenden Furchenteile der Zielfläche eine konkave Stirnfläche präsentiert.

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