-
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, die ein Schaufelblatt beinhaltet, das von einer konkav geformten druckseitigen Außenwand und einer konvex geformten saugseitigen Außenwand definiert wird, die an Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und dazwischen eine radial verlaufende Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden. Die Turbinenschaufel kann ferner eine Rippenanordnung beinhalten, die die Kammer des Schaufelblatts in radial verlaufende Strömungsdurchgänge untergliedert. Ein erster Strömungsdurchgang kann eine erste Seite beinhalten, an der Turbulenzerzeuger positioniert sind, wobei die Turbulenzerzeuger jeweils eine abgeschrägte Anordnung aufweisen.
-
Der erste Strömungsdurchgang der Turbinenschaufel kann von radial verlaufenden Seiten definiert werden, die Folgendes beinhalten: eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, und zwei zusätzliche Seiten, eine dritte Seite und eine vierte Seite, die die erste Seite flankieren und an sie angrenzend verlaufen, wobei die abgeschrägte Anordnung aufweist, dass jeder der Turbulenzerzeuger relativ zu einer Bezugslinie an der ersten Seite abgeschrägt ist, die eine konstante radiale Höhe hat.
-
Die abgeschrägte Anordnung der Turbulenzerzeuger einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann einen spitzen Winkel von wenigstens 20 Grad aufweisen, der zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien gebildet wird, wobei jeder der Turbulenzerzeuger einen länglichen Vorsprung mit steilen Seiten aufweist.
-
Die abgeschrägte Anordnung der Turbulenzerzeuger einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann einen spitzen Winkel von wenigstens 40 Grad aufweisen, der zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien gebildet wird.
-
Jeder der Turbulenzerzeuger einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann sich ununterbrochen über eine Breite der ersten Seite des Strömungsdurchgangs erstrecken, wobei die erste Seite wenigstens fünf Turbulenzerzeuger aufweist, die zwischen einem innenliegenden Ende und einem außenliegenden Ende der ersten Seite radial voneinander beabstandet sind, und wobei die Turbulenzerzeuger eine parallele Anordnung aufweisen.
-
Jeder der Turbulenzerzeuger einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann sich teilweise über eine Breite der ersten Seite des Strömungsdurchgangs erstrecken, wobei die erste Seite wenigstens fünf Turbulenzerzeuger aufweist, die zwischen einem innenliegenden Ende und einem außenliegenden Ende der ersten Seite radial voneinander beabstandet sind, und wobei die Turbulenzerzeuger eine parallele Anordnung aufweisen.
-
Jeder der Turbulenzerzeuger einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann sich teilweise über die erste Seite erstrecken, wobei die erste Seite wenigstens fünf Turbulenzerzeuger aufweist, die eine gleichmäßige radiale Beabstandung zwischen einem ersten Turbulenzerzeuger, der nahe einem innenliegenden Ende der ersten Seite positioniert ist, und einem zehnten Turbulenzerzeuger nahe dem außenliegenden Ende der ersten Seite beinhalten, und wobei die Turbulenzerzeuger lateral abwechseln.
-
Die zweite Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann Turbulenzerzeuger aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie die Turbulenzerzeuger an der ersten Seite etwa wiederspiegeln.
-
Die zweite Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann Turbulenzerzeuger aufweisen, die wie die Turbulenzerzeuger an der ersten Seite angeordnet sind, wobei die Turbulenzerzeuger an der zweiten Seite so angeordnet sind, dass sie mit den Turbulenzerzeugern an der ersten Seite radial abwechseln.
-
Die zweite Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann Turbulenzerzeuger aufweisen, die relativ zu einer Bezugslinie an der zweiten Seite abgeschrägt sind, die eine konstante radiale Höhe hat, wobei die Turbulenzerzeuger an der zweiten Seite jeweils einen länglichen Vorsprung mit steilen Seiten umfassen, wobei die abgeschrägte Anordnung der Turbulenzerzeuger an der zweiten Seite einen spitzen Winkel von wenigstens 20 Grad aufweist, der zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien gebildet wird.
-
Die zweite Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann Turbulenzerzeuger aufweisen, die eine abgeschrägte Anordnung haben, wobei die Turbulenzerzeuger an der zweiten Seite relativ zu einer Bezugslinie an der zweiten Seite abgeschrägt sind, die eine konstante radiale Höhe hat, so dass zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien an der zweiten Seite ein spitzer Winkel von wenigstens 20 Grad gebildet wird, wobei die zweite Seite wenigstens fünf Turbulenzerzeuger aufweist, die zwischen einem innenliegenden Ende und einem außenliegenden Ende der zweiten Seite radial voneinander beabstandet sind, und wobei die Turbulenzerzeuger der zweiten Seite eine parallele Anordnung aufweisen.
-
Die Turbulenzerzeuger der ersten und der zweiten Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel können radial abwechseln.
-
Die dritte Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann Turbulenzerzeuger aufweisen, die eine abgeschrägte Anordnung haben, wobei die Turbulenzerzeuger an der dritten Seite relativ zu einer Bezugslinie an der dritten Seite abgeschrägt sind, die eine konstante radiale Höhe hat, so dass zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien an der dritten Seite ein spitzer Winkel von wenigstens 20 Grad gebildet wird.
-
Die dritte Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann wenigstens fünf Turbulenzerzeuger aufweisen, die zwischen einem innenliegenden Ende und einem außenliegenden Ende der dritten Seite radial voneinander beabstandet sind, wobei die Turbulenzerzeuger der dritten Seite eine parallele Anordnung aufweisen und wobei die Turbulenzerzeuger der ersten und der dritten Seite radial abwechseln.
-
Die zweite Seite, die dritte Seite und die vierte Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel können Turbulenzerzeuger aufweisen, die eine abgeschrägte Anordnung haben, wobei die Turbulenzerzeuger an der zweiten Seite relativ zu einer Bezugslinie an der zweiten Seite abgeschrägt sind, die eine konstante radiale Höhe hat, so dass zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien an der zweiten Seite ein spitzer Winkel von wenigstens 20 Grad gebildet wird, wobei die Turbulenzerzeuger an der dritten Seite relativ zu einer Bezugslinie an der dritten Seite abgeschrägt sind, die eine konstante radiale Höhe hat, so dass zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien an der dritten Seite ein spitzer Winkel von wenigstens 20 Grad gebildet wird, und wobei die Turbulenzerzeuger an der vierten Seite relativ zu einer Bezugslinie an der vierten Seite abgeschrägt sind, die eine konstante radiale Höhe hat, so dass zwischen jedem der Turbulenzerzeuger und einer der Bezugslinien an der vierten Seite ein spitzer Winkel von wenigstens 20 Grad gebildet wird.
-
Die erste Seite und die zweite Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel können jeweils eine der Folgenden umfassen: eine Skelettlinienrippe, eine druckseitige Außenwand und eine saugseitige Außenwand des Schaufelblatts.
-
Die erste Seite und die zweite Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel können jeweils eine Querrippe umfassen.
-
Die erste Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel kann eine Querrippe umfassen, wobei die Querrippe und die Turbulenzerzeuger so angeordnet sind, dass sie durch eine Skelettlinie des Schaufelblatts verlaufen.
-
Die erste Seite und die zweite Seite einer oben erwähnten Turbinenschaufel können jeweils mittlere Querrippen umfassen, die jeweils zwischen einer druckseitigen Skelettlinienrippe und einer saugseitigen Skelettlinienrippe verlaufen.
-
Die erste Seite oder die zweite Seite oder die dritte Seite oder die vierte Seite umfasst ein Segment einer Skelettlinienrippe, das ein welliges Profil hat, wobei das wellige Profil eines beinhaltet, das wenigstens eine hin- und hergehende „S“-Form hat, und wobei die Turbinenschaufel eine Turbinenlaufschaufel umfasst.
-
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 der Saugseite einer Turbinenlaufschaufel ist, die eine Innenwandanordnung und Strömungsdurchgangsverbindung gemäß gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung hat,
-
8 eine Querschnittansicht von einem der Strömungsdurchgänge von 5 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung ist,
-
9 eine perspektivische Ansicht von zwei aneinander angrenzenden Wänden des Strömungsdurchgangs von 8 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung ist.
-
10 eine perspektivische Ansicht von zwei aneinander angrenzenden Wänden des Strömungsdurchgangs von 8 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
-
11 eine perspektivische Ansicht von zwei aneinander angrenzenden Wänden des Strömungsdurchgangs von 8 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
-
12 eine perspektivische Ansicht von zwei aneinander angrenzenden Wänden des Strömungsdurchgangs von 8 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
-
13 eine perspektivische Ansicht von drei aneinander angrenzenden Wänden des Strömungsdurchgangs von 8 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
-
14 eine Querschnittansicht von einem der Strömungsdurchgänge von 7 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung ist und
-
15 eine perspektivische Ansicht von zwei aneinander angrenzenden Wänden des Strömungsdurchgangs von 14 gemäß 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 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. Es ist zu beachten, dass die Außenwände 26, 27 und die Skelettlinienrippen 62 als integrierte Teile gegossen sind.
-
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 Drosselung 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 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 und 7 bieten Querschnittsansichten einer Turbinenlaufschaufel 16 mit einer Innenwandanordnung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Speziell beinhaltet die vorliegende Erfindung die Anordnung von Rippen 60, die gewöhnlich sowohl als strukturelle Unterstützung als auch als Unterteilungen verwendet werden, die hohle Schaufelblätter 25 in im Wesentlichen getrennte radial verlaufende Strömungsdurchgänge 40 aufteilen, die nach Wunsch Zwischenverbindungen zum Bilden von Kühlkreisen sein können. Diese Strömungsdurchgänge 40 und die von ihnen gebildeten Kreise werden zum Leiten eines Kühlmittelstroms auf besondere Weise durch das Schaufelblatt 25 genutzt, 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. In einer Ausführungsform beinhaltet eine Rippenanordnung der vorliegenden Erfindung eine Skelettlinienrippe 62 mit einem welligen Profil (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 gewöhnlich 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. Beispiele für diesen bestimmten Typ von welligem Profil sind oben in den 6 und 7 vorgesehen.
-
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, wie in den 6 und 7 gezeigt, macht der wellige Teil der Skelettlinienrippe 62 in einer bevorzugten Ausführungsform über 50 % 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 erkennen, dass auch kürzere Längen mit Leistungsvorteilen eingesetzt werden können, wie wellige Teile mit einer Länge von wenigstens 25 % der Skelettlinienrippe 62.
-
Es ist zu beachten, dass eine wellige Skelettlinienrippe 62 angesichts ihres gewundenen Profils einen Weg beschreibt, 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 den 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 eingesetzt 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 aufeinanderfolgende Segmente haben, in denen: ein erstes konkaves Segment in ein zweites konvexes Segment übergeht, das zweite konvexe Segment in ein drittes konkaves Segment übergeht und das dritte konkave Segment in ein viertes konvexes Segment übergeht.
-
Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung kann die Innenstruktur eines Schaufelblatts entlang der Skelettlinienrichtung des Schaufelblatts also 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.
-
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der jetzt behandelt wird, wird auf die 8 bis 15 Bezug genommen. Es ist zu erkennen, dass die 8 und 14 Querschnittansichten einzelner Strömungsdurchgänge 40 veranschaulichen, die jeweils in den 5 und 7 zu finden sind, die oben besprochen werden. Die anderen Figuren, 9 bis 13 und 15, bieten mehrere Ausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich dessen, wie Turbulenzerzeuger 50 an den Wänden von Strömungsdurchgängen 40 positioniert werden können, um Innenkühlungssysteme von Schaufelblättern 25 zu verbessern.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann ein Strömungsdurchgang 40, wie der in den 8 und 14 gezeigte, eine Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 beinhalten, die eine abgeschrägte Anordnung haben, wie die in 9 gebotene Ausführungsform. Turbulenzerzeuger 50, wie hierin verwendet, sind längliche Vorsprünge mit steilen Seiten, die dazu verwendet werden, um eine Wirbelströmung hervorzurufen und dadurch den Wärmeaustausch in Kühlungsdurchgängen wie jenen Strömungsdurchgängen zu verbessern, die in den Schaufelblättern 25 der Turbinenschaufeln 16 verwendet werden. Es ist zu erkennen, dass die Turbulenzerzeuger 50 verschiedene Anordnungen haben können. In einer bevorzugten Ausführungsform können Turbulenzerzeuger 50 eine halbkreisförmige oder halbovale Querschnittsform haben.
-
Wie in den Querschnittansichten der 8 und 14 gezeigt, beinhalten Strömungsdurchgänge 14 gewöhnlich radial verlaufende und einander gegenüberliegende Seitenpaare. Diese Positionierungsform ist in Schaufelblättern 25, die einen gewundenen oder sinusförmigen Kühlmittelweg haben, der zwischen einem innenliegenden Ende und der außenliegenden Spitze 31 des Schaufelblatts 25 hin und her verläuft, besonders häufig anzutreffen. Der Veranschaulichung halber ist der Strömungsweg 40 von 8 in den 9 bis 12 und 15 vereinfacht und beinhaltet eine erste Seite 61 und eine angrenzende zweite Seite 65. Es ist zu erkennen, dass den aneinander angrenzenden Seiten 61, 65 (wie in 8 gezeigt) über den Strömungsweg 40 jeweils eine Seite 61, 65 desselben Typs gegenüberliegen kann. So können zum Beispiel die erste Seite 61 und die in den 8 und 14 ihr gegenüberliegend gezeigte Seite ein Paar Skelettlinienrippen 62 darstellen oder, in einem anderen Fall, eine Skelettlinienrippe 62 und eine der Außenwände 26, 27 des Schaufelblatts 25 darstellen. Wie oben besprochen, stellt jede dieser Möglichkeiten eine häufige Innenanordnung dar, die in Schaufelblättern 25 genutzt wird. Das Beispiel weiterführend, ist zu erkennen, dass die zweite Seite 65 und die in den 8 und 14 ihr gegenüberliegend gezeigte Seite in diesem Fall Querrippen 66 darstellen würden. Dementsprechend versteht es sich in Bezug auf die unten beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die sich auf die vereinfachten zweiseitigen Darstellungen beziehen, dass die Seiten, die den abgebildeten 61, 65 gegenüberliegen, sofern nicht anders angegeben, einen beliebigen Typ einer Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 haben oder überhaupt keine aufweisen können. Außerdem kann die Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 an den nicht abgebildeten Seiten in einigen Fällen eine Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 haben, die die Positionierungsform der ihr gegenüberliegenden Seite wiederspiegelt, oder eine, die radial oder lateral relativ zur Positionierungsform der ihr gegenüberliegenden Seite abwechselt, oder eine, die eine Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 beinhaltet, die mit der ihr gegenüberliegenden nicht in Bezug steht. Wie unten ebenfalls vorgesehen, kann die Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 an den Seiten 61, 65 mit der Positionierungsform an einer angrenzenden Seite in Bezug stehen. Gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben aber eine Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50, die nur an einer der Seiten 61, 65 des Strömungsdurchgangs 40 auftritt.
-
Wie in den 9 bis 13 und 15 angedeutet, kann die abgeschrägte Anordnung der Turbulenzerzeuger 50 von einem spitzen Winkel 52 definiert werden, den jeder relativ zu einer jeweiligen Bezugslinie 51 bildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Bezugslinie 51 eine sein, die über eine der Seiten 61, 65 des Strömungsdurchgangs 40 verläuft, während sie eine etwa konstante radiale Höhe beibehält. Es ist zu erkennen, dass eine derartige Bezugslinie 51 an jeder beliebigen Stelle an den Seiten 61, 65 ausgebildet werden kann, so dass eine so abgeleitete Bezugslinie 51 auf jedweden Turbulenzerzeuger 50 anwendbar ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist die abgeschrägte Anordnung jedes Turbulenzerzeugers 50 eine, bei der der Turbulenzerzeuger 50 und die Bezugslinie 51 einen spitzen Winkel 52 von wenigstens 20 Grad bilden. In einer alternativen Ausführungsform beinhaltet die abgeschrägte Anordnung Turbulenzerzeuger 50, die mit einer der Bezugslinien 51 einen spitzen Winkel 52 von wenigstens 40 Grad bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Turbulenzerzeuger 50 längs des Strömungsdurchgangs 40 radial voneinander beabstandet. Wie angedeutet, kann die radiale Beabstandung zwischen Turbulenzerzeugern 50 in gewissen bevorzugten Ausführungsformen gleichmäßig sein. Außerdem kann die Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 an einer der Seiten 61, 65 oder zwischen zwei oder mehr der Seiten 61, 65 in Bezug aufeinander eine parallele Anordnung haben. In diesem Fall ist zu erkennen, dass jeder Turbulenzerzeuger 50 mit der Bezugslinie 51 etwa den gleichen spitzen Winkel 52 bildet.
-
In bevorzugten Ausführungsformen können mehrere Turbulenzerzeuger an beliebigen der Seiten 61, 65 des Strömungsdurchgangs 40 entlang vorgesehen sein. Vorzugsweise sind an einer Seite 61, 65 des Strömungsdurchgangs 40 wenigstens fünf Turbulenzerzeuger 50 enthalten. Es können auch mehr oder weniger Turbulenzerzeuger 50 vorgesehen sein. Diese Turbulenzerzeuger 50 können voneinander beabstandet sein, um den ganzen Strömungsdurchgang 40 oder einen Großteil oder Zielflächen von ihm zwischen dem innenliegenden Ende des Durchgangs, das nahe dem innenliegenden Ende des Schaufelblatts 25 liegen kann, und dem außenliegenden Ende des Durchgangs, das nahe der außenliegenden Spitze 31 des Schaufelblatts liegt, abzudecken.
-
Gemäß einer Ausführungsform, wie in den 9 und 11 gezeigt, kann jeder der Turbulenzerzeuger 50 sich ununterbrochen (und abgeschrägt) über die gesamte Breite der ersten Seite 65 (oder, im Fall von 11, über die gesamte Breite der ersten und der zweiten Seite 61, 65) des Strömungsdurchgangs 40 erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform, wie in den 10 und 12 vorgesehen, können sich die Turbulenzerzeuger 50 ein Stück weit teilweise über eine Breite von einer der Seiten 61, 65 des Strömungsdurchgangs 40 erstrecken. Diese teilweisen Turbulenzerzeuger 50 können, wie angedeutet, so positioniert sein, dass ihr Querschnittprofil fluchtet, wie in der in 10 gezeigten Ausführungsform. Alternativ können die teilweisen Turbulenzerzeuger 50 in einer weiteren Ausführungsform eine lateral abwechselnde Anordnung haben, wie die in 12 gezeigte Ausführungsform. Wie beschrieben, ist zu erkennen, dass einander gegenüberliegende Seiten des Strömungsdurchgangs 40 Turbulenzerzeuger 50 haben können, die ungefähre Spiegelbilder voneinander sind, oder sie können eine Positionierungsform von Turbulenzerzeugern 50 haben, die sich von beliebigen der anderen hierin beschriebenen unterscheiden oder ihnen ähnlich sind. Außerdem beinhalten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Turbulenzerzeuger 50, die nur an einer Seite 61, 65 des Strömungsdurchgangs 40 oder einer beliebigen Kombination der mehreren Seiten 61, 65 des Strömungsdurchgangs 40 ausgebildet sind. Die Turbulenzerzeuger 50 an einander gegenüberliegenden Seiten 61, 65 können abwechselnd radial zueinander angeordnet sein, wie in 13 vorgesehen, die eine perspektivische Ansicht von drei Seiten 61, 65 des in 8 gezeigten Strömungsdurchgangs 40 beinhaltet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die Seite 61 des Strömungsdurchgangs 40 eine Querrippe 66 dar und beinhaltet, wie in 9 gezeigt, eine Anzahl von abgeschrägten Turbulenzerzeugern 50. In diesem Fall kann die Seite 61/Querrippe 66 über die Skelettlinie des Schaufelblatts 25 verlaufen, wobei Beispiele hierfür in den mittleren Querrippen 59 der 5 bis 7 gezeigt gefunden werden. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können derartige Querrippen 66 Turbulenzerzeuger 50 beinhalten, die eine abgeschrägte Anordnung haben. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Turbulenzerzeuger 50, die die abgeschrägte Anordnung haben, auch über die Skelettlinie des Schaufelblatts 25. Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, beruht ein Grund dafür, dass diese spezielle Anordnung neu ist, auf einer Herstellungsbeschränkung, die gegen seine Ausbildung sprach. Dementsprechend werden abgeschrägte Turbulenzerzeuger 50 der vorliegenden Erfindung vorzugsweise an einer mittleren Querrippe 69 positioniert. Wie beschrieben, ist eine mittlere Querrippe 69 eine strukturelle Unterstützung, die zwischen einer druckseitigen Skelettlinienrippe 63 und einer saugseitigen Skelettlinienrippe 64 verläuft und die im typischen Fall so durch die Skelettlinie des Schaufelblatts verläuft, dass Turbulenzerzeuger 50 ähnlich denen von 9 auch durch die Skelettlinie des Schaufelblatts 25 verlaufen.
-
Im Betrieb verursachen die Turbulenzerzeuger 50, dass die Strömung durch einen Kühlungsdurchgang 40 eine verwirbelte ist, was den Wärmeübergangskoeffizienten und somit den konvektiven Nutzen des Kühlmittels an den heißen Oberflächen des Durchgangs erhöht. Konventionelle Technologien schlossen Turbulenzerzeuger 50 in gewissen Bereichen aufgrund von Herstellungsbeschränkungen aus, die gegen ihre Aufnahme sprachen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet das Ausweiten des Nutzens von Turbulenzerzeugern 50 auf alle Innendurchgänge 40 von Schaufelblättern 25, um den Kühlmittelverbrauch wirtschaftlicher zu machen und dadurch allgemeiner den gesamten Wirkungsgrad der Turbinenmaschine zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung kann ferner als ein Mittel zum Behandeln lokalisierter Wärmegradienten verwendet werden, die der Lebensdauer der Turbinenschaufel oft abträglich sind. Die Turbulenzerzeuger 50 können eingesetzt werden, um eine gleichmäßige Kühlung der Innenregion des Schaufelblatts zu fördern und die Belastung zu verringern, die auftritt, wenn derartige Regionen thermisch nicht ausgeglichen sind. Es ist zu beachten, das der auf diesem Typ von thermischer Unausgeglichenheit in der Schaufelblattstruktur beruhende Konflikt, speziell zwischen inneren wandnahen Kühlungshohlräumen und den zentraler liegenden Durchgängen, zu einer Belastung führt, die sich oft in der Struktur konzentriert, die diese beiden Bereiche verbindet, was oft die kürzeren Querrippen sind. Es ist zu erkennen, dass die Turbulenzerzeuger 50 von einer der bevorzugten Ausführungsformen der aktuellen Anmeldung zum Reduzieren von Wärmegradienten in Querrippen verwendet werden können und dadurch die Lebensdauer des Bauteils verbessert wird. Des Weiteren ist zu erkennen, dass hierin beschriebene Turbulenzerzeuger 50 zum Abstimmen des Kühlsystems von Turbinenschaufeln und zum Reduzieren problematischer Wärmegradienten in Zielbereichen verwendet werden können.
-
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, die ein Schaufelblatt beinhaltet, das von einer konkav geformten druckseitigen Außenwand und einer konvex geformten saugseitigen Außenwand definiert wird, die an Vorder- und Hinterkante entlang miteinander verbunden sind und dazwischen eine radial verlaufende Kammer zur Aufnahme eines Kühlmittelstroms bilden. Die Turbinenschaufel kann ferner eine Rippenanordnung beinhalten, die die Kammer des Schaufelblatts in radial verlaufende Strömungsdurchgänge untergliedert. Ein erster Strömungsdurchgang kann eine erste Seite beinhalten, an der Turbulenzerzeuger positioniert sind, wobei die Turbulenzerzeuger jeweils eine abgeschrägte Anordnung aufweisen.
