DE102016112281A1

DE102016112281A1 - Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel

Info

Publication number: DE102016112281A1
Application number: DE102016112281.5A
Authority: DE
Inventors: Christopher Lee Golden; Dustin Micheal Earnhardt; Michelle Jessica Iduate; Bryan Lewis; Christopher Donald Porter; David Wayne Weber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2017-01-19
Also published as: US9909436B2; US20170016348A1; CN106351699A; JP6835493B2; CH711387A2; JP2017025906A; CN106351699B

Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel bereit, die enthalten kann: eine Endwand (204), die mit einem radialen Ende eines Schaufelblattes (150) relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine (100) verbunden ist; und eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218), die innerhalb der Endwand (204) positioniert und zu einer Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) radial versetzt ist, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ein Kühlfluid von einem Kühlkreislauf (216) empfängt, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) sich von einem vorderen Bereich (222), der in der Nähe einer von einer Druckseitenfläche (156) und einer Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) positioniert ist, bis zu einem hinteren Bereich (154) erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) und der anderen von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) positioniert ist, wobei der hintere Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit dem vorderen Bereich (222) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) in Fluidverbindung steht.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Offenbarung betrifft allgemein stationäre Schaufeln und insbesondere eine Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel.
Stationäre Schaufeln werden in Turbinenanwendungen verwendet, um Heißgasströmungen auf sich bewegende Schaufeln zu richten, um Leistung zu erzeugen. In Dampf- und Gasturbinenanwendnungen werden die stationären Schaufeln als Leitschaufeln bezeichnet, und sie sind an einer äußeren Struktur, wie beispielsweise einem Gehäuse, und/oder einer inneren Dichtungsstruktur durch Endwände montiert. Jede Endwand ist mit einem entsprechenden Ende eines Schaufelblattes der stationären Schaufel verbunden. Stationäre Schaufeln können auch Durchgänge oder andere Einrichtungen zur Umwälzung von Kühlfluiden, die Wärme aus Betriebskomponenten der Turbomaschine absorbieren, enthalten.
Um in Einrichtungen mit extremen Temperaturen zu arbeiten, müssen das Schaufelblatt und die Endwände gekühlt werden. Zum Beispiel wird in einigen Einrichtungen ein Kühlfluid aus dem Laufradzwischenraum entzogen und zu inneren Endwänden der stationären Schaufel zur Kühlung geleitet. Demgegenüber können in vielen Gasturbinenanwendungen Leitschaufeln einer späteren Stufe mit einem Kühlfluid, z.B. mit Luft, das aus deren Verdichter entnommen wird, gespeist werden. Außenumfangsendwände können das Kühlfluid direkt empfangen, während die Innenumfangsendwände das Kühlfluid empfangen können, nachdem dieses von dem Außenumfang aus durch das Schaufelblatt hindurch geleitet worden ist. Zusätzlich zu der Effektivität der Kühlung kann die Struktur einer stationären Schaufel und ihrer Komponenten andere Faktoren, wie beispielsweise die Herstellbarkeit, die Einfachheit einer Prüfung und die Haltbarkeit einer Turbomaschine, beeinflussen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel bereit, die enthält: eine Endwand, die mit einem radialen Ende eines Schaufelblattes relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine verbunden ist, wobei das Schaufelblatt eine Druckseitenfläche, eine Saugseitenfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante enthält; und eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer, die innerhalb der Endwand positioniert und zu der Hinterkante des Schaufelblattes radial versetzt ist, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ein Kühlfluid aus einem Kühlkreislauf empfängt, wobei sich die im Wesentlichen sichelförmige Kammer von einem vorderen Bereich, der in der Nähe einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des Schaufelblattes angeordnet ist, zu einem hinteren Bereich erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante des Schaufelblattes und der anderen von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des Schaufelblattes angeordnet ist, wobei das Kühlfluid in dem vorderen Bereich mit einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht, wobei das Kühlfluid in dem hinteren Bereich mit einem Abschnitt der Endwand in der Nähe der Hinterkante des Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit dem vorderen Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer in Fluidverbindung steht.
In der zuvor erwähnten Kühlstruktur kann der hintere Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer sich von einem Ende des vorderen Bereichs der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer im Wesentlichen senkrecht erstrecken.
Jede beliebige vorstehend erwähnte Kühlstruktur kann ferner mehrere wärmeleitende Einrichtungen aufweisen, die sich durch wenigstens einen von dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer erstrecken.
Zusätzlich kann die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ferner eine Umfassungswand enthalten und ferner mehrere Zugangsbereiche aufweisen, die im Wesentlichen entlang der Umfassungswand der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer positioniert sind, wobei jeder der mehreren Zugangsbereiche frei von wärmeleitenden Einrichtungen in ihm ist.
Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ferner einen Übergangsbereich enthalten, der mit der Hinterkante des Schaufelblattes im Wesentlichen radial ausgerichtet und zwischen dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer angeordnet ist, wobei der Übergangsbereich frei von wärmeleitenden Einrichtungen in ihm ist.
In der Kühlstruktur einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann eine axiale Längenkomponente des vorderen Bereichs der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer wenigstens ungefähr die Hälfte einer axialen Längenkomponente einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des Schaufelblattes betragen.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Kühlstruktur kann die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ferner einen Übergangsbereich enthalten, der mit der Hinterkante des Schaufelblattes im Wesentlichen radial ausgerichtet und zwischen dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer angeordnet ist, und ferner einen Vorsprung aufweisen, der sich von einer Radialfläche des Übergangsbereichs aus erstreckt, wobei der Vorsprung eingerichtet ist, um das Kühlfluid von dem vorderen Bereich in den hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer zu leiten.
In den zuletzt erwähnten Ausführungsformen kann eine Weite des Übergangsbereichs zwischen dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich ungefähr einer axialen Weite der Hinterkante des Schaufelblattes entsprechen.
In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Kühlstruktur kann die im Wesentlichen sichelförmige Kammer eine von wenigstens zwei im Wesentlichen sichelförmigen Kammern, die innerhalb der Endwand positioniert sind, aufweisen, wobei das Schaufelblatt eines aus einem Paar von Schaufelblättern aufweisen kann, die von der Endwand aus im Wesentlichen radial vorragen.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ergibt eine stationäre Schaufel, die enthält: ein Schaufelblatt, das eine Druckseitenfläche, eine Saugseitenfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante enthält, wobei das Schaufelblatt ferner einen Kühlkreislauf in ihm enthält; eine Endwand, die mit einem radialen Ende des Schaufelblattes relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine verbunden ist; und eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer, die innerhalb der Endwand positioniert und zu der Hinterkante des Schaufelblattes radial versetzt ist, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ein Kühlfluid von dem Kühlkreislauf empfängt, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer sich von einem vorderen Bereich, der in der Nähe einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des Schaufelblattes angeordnet ist, bis zu einem hinteren Bereich erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante des Schaufelblattes und der anderen von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des Schaufelblattes angeordnet ist, wobei das Kühlfluid in dem vorderen Bereich mit einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht, wobei das Kühlfluid in dem hinteren Bereich mit einem Abschnitt der Endwand in der Nähe der Hinterkante des Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit dem vorderen Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer in Fluidverbindung steht.
In der zuvor erwähnten stationären Schaufel kann sich der hintere Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer von dem vorderen Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer aus im Wesentlichen senkrecht erstrecken.
In einigen Ausführungsformen kann jede beliebige vorstehend erwähnte stationäre Schaufel ferner mehrere wärmeleitende Einrichtungen aufweisen, die sich durch wenigstens einen von dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer hindurch erstrecken.
In den zuletzt erwähnten Ausführungsformen kann die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ferner einen Übergangsbereich enthalten, der mit der Hinterkante des Schaufelblattes im Wesentlichen radial ausgerichtet und zwischen dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer angeordnet ist, wobei der Übergangsbereich frei von wärmeleitenden Einrichtungen darin ist.
Zusätzlich kann eine Weite des Übergangsbereiches zwischen dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich ungefähr gleich einer axialen Weite der Hinterkante des Schaufelblattes sein.
Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ferner eine Umfassungswand enthalten und ferner mehrere Zugangsbereiche aufweisen, die im Wesentlichen entlang der Umfassungswand der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer angeordnet sind, wobei jeder der mehreren Zugangsbereiche frei von wärmeleitenden Einrichtungen darin ist.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten stationären Schaufel kann die im Wesentlichen sichelförmige Kammer ferner einen Übergangsbereich enthalten, der mit der Hinterkante des Schaufelblattes im Wesentlichen radial ausgerichtet und zwischen dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer angeordnet ist, und kann ferner einen Vorsprung aufweisen, der sich von einer Radialfläche des Übergangsbereiches aus erstreckt, wobei der Vorsprung eingerichtet ist, um das Kühlfluid von dem vorderen Bereich in den hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer zu leiten.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ergibt ein Turbinenleitschaufelpaar, das enthält: ein erstes Schaufelblatt mit einem ersten Kühlkreislauf in diesem; eine Endwand, die mit einem radialen Ende des ersten Schaufelblattes relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine verbunden ist; ein zweites Schaufelblatt mit einem zweiten Kühlkreislauf in diesem, wobei das zweite Schaufelblatt im Wesentlichen parallel zu dem ersten Schaufelblatt ausgerichtet ist, wobei die Endwand mit einem radialen Ende des Schaufelblattes relativ zu der Rotorachse der Turbomaschine verbunden ist und wobei jedes von dem ersten Schaufelblatt und dem zweiten Schaufelblatt ferner eine Druckseitenfläche, eine Saugseitenfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante enthält; eine erste im Wesentlichen sichelförmige Kammer, die innerhalb der Endwand positioniert und zu der Hinterkante des ersten Schaufelblattes radial versetzt ist, wobei die erste im Wesentlichen sichelförmige Kammer ein erstes Kühlfluid von dem ersten Kühlkreislauf empfängt, wobei sich die erste im Wesentlichen sichelförmige Kammer von einem vorderen Bereich, der in der Nähe einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des ersten Schaufelblattes angeordnet ist, bis zu einem hinteren Bereich erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante des ersten Schaufelblattes und der anderen von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des ersten Schaufelblattes angeordnet ist, wobei das erste Kühlfluid in dem vorderen Bereich der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des ersten Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht, wobei das erste Kühlfluid in dem hinteren Bereich der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit einem Abschnitt der Endwand in der Nähe der Hinterkante des ersten Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit dem vorderen Bereich der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer in Fluidverbindung steht; und eine zweite im Wesentlichen sichelförmige Kammer, die innerhalb der Endwand positioniert und zu der Hinterkante des zweiten Schaufelblattes radial versetzt ist, wobei die zweite im Wesentlichen sichelförmige Kammer ein zweites Kühlfluid von dem zweiten Kühlkreislauf empfängt, wobei sich die zweite im Wesentlichen sichelförmige Kammer von einem vorderen Bereich, der in der Nähe einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des zweiten Schaufelblattes angeordnet ist, bis zu einem hinteren Bereich erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante des zweiten Schaufelblattes und der anderen von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des zweiten Schaufelblattes angeordnet ist, wobei das zweite Kühlfluid in dem vorderen Bereich der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des zweiten Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht, wobei das zweite Kühlfluid in dem hinteren Bereich der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit einem Abschnitt der Endwand in der Nähe der Hinterkante des zweiten Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer mit dem vorderen Bereich der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer in Fluidverbindung steht.
Das zuvor erwähnte Turbinenleitschaufelpaar kann ferner mehrere wärmeleitende Einrichtungen aufweisen, die sich durch eine von der ersten und der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer in einem von dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich von dieser hindurch erstrecken.
Ferner kann eine von der ersten und der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer ferner einen Übergangsbereich enthalten, der zwischen dem vorderen Bereich und dem hinteren Bereich von dieser angeordnet und mit der Hinterkante eines von dem ersten Schaufelblatt und dem zweiten Schaufelblatt im Wesentlichen radial ausgerichtet ist, wobei der Übergangsbereich frei von wärmeleitenden Einrichtungen darin ist.
Noch weiter kann das Turbinenleitschaufelpaar ferner einen Vorsprung aufweisen, der sich von einer Axialfläche des Übergangsbereichs aus erstreckt, wobei der Vorsprung eingerichtet ist, um das Kühlfluid von dem vorderen Bereich in den hinteren Bereich der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer zu leiten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigen, worin:
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Turbomaschine.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Schaufelblattes einer stationären Schaufel, die in einem Strömungspfad eines Betriebsfluids positioniert ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer stationären Schaufel zwischen zwei Rotorschaufeln in einem Turbinenabschnitt einer Turbomaschine.
4 zeigt eine weggeschnittene Perspektivansicht einer Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine weggeschnittene perspektivische Teilansicht einer Kammer innerhalb einer Endwand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
6 stellt eine weggeschnittene perspektivische Teilansicht eines Übergangsbereiches einer Kammer gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereit.
7 zeigt eine vergrößerte weggeschnittene perspektivische Teilansicht eines Übergangsbereiches einer Kammer gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Es sei erwähnt, dass die Zeichnungen der Erfindung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung darstellen und sollten folglich nicht in einem den Umfang der Erfindung beschränkenden Sinne betrachtet werden. In den Zeichnungen repräsentieren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente zwischen den Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen allgemein Kühlstrukturen für stationäre Schaufeln. Insbesondere stellen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Endwand bereit, die mit einem radialen Ende eines Schaufelblattes einer stationären Schaufel verbunden ist, wobei das Schaufelblatt eine Druckseitenfläche, eine Saugseitenfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante enthält. Die Endwand kann eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer in ihr enthalten, die zu dem Schaufelblatt radial versetzt angeordnet ist. Die im Wesentlichen sichelförmige Kammer kann, wie hierin weiter beschrieben, zu dieser radial versetzt angeordnet und in der Nähe der Druckseitenfläche, der Hinterkante und/oder der Saugseitenfläche positioniert sein, so dass die Kammer eine Außenkontur des Schaufelblattes teilweise umgreift. Während eines Betriebs können Kühlfluide in die Kammer eintreten und diese durchströmen, um Wärme aus Abschnitten der Endwand zu absorbieren, die in der Nähe der entsprechenden Oberflächen des Schaufelblattes (d.h. der Druckseitenfläche, der Hinterkante und/oder der Saugseitenfläche) angeordnet sind. Die Kammer kann einen vorderen Bereich, der in der Nähe der Druckseitenfläche oder der Saugseitenfläche des Schaufelblattes positioniert ist, und einen hinteren Bereich enthalten, der in der Nähe zu wenigstens der Hinterkante des Schaufelblattes und der anderen von der Druckseitenfläche oder der Saugseitenfläche des Schaufelblattes positioniert ist. Der vordere Bereich und der hintere Bereich können gemeinsam gesonderte Teile der sichelförmigen Geometrie der Kammer bilden.
Räumlich relative Ausdrücke, wie beispielsweise „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“, „Einlass-“, „Auslass-“ und dergleichen, können hierin zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elementes oder einer Einrichtung zu einem/einer oder mehreren anderen Element(en) oder Einrichtung(en), wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Räumlich relative Ausdrücke sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Einsatz oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung umfassen. Wenn zum Beispiel die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden die Elemente, die hierin als „unter“ oder „unterhalb von“ anderen Elementen oder Einrichtungen beschrieben sind, dann „über“ den anderen Elementen oder Einrichtungen angeordnet sein. Somit kann der beispielhafte Ausdruck „unter“ sowohl eine Positionierung oberhalb als auch unterhalb umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig orientiert (um 90° oder zu anderen Orientierungen gedreht) werden, und die räumlich relativen Beschreibungen, wie sie hierin verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
Wie oben erwähnt, ergibt die Offenbarung eine Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel einer Turbomaschine. In einer Ausführungsform kann die Kühlstruktur eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer mit einem vorderen Bereich in der Nähe einer Druckseitenfläche oder einer Saugseitenfläche eines Schaufelblattes enthalten. Die im Wesentlichen sichelförmige Kammer kann sich von dem vorderen Bereich zu einem hinteren Bereich in der Nähe einer Hinterkante und der gegenüberliegenden Druckseitenfläche oder Saugseitenfläche des Schaufelblattes erstrecken. 1 zeigt eine Turbomaschine 100, die einen Verdichterabschnitt 102 enthält, der mit einem Turbinenabschnitt 104 über eine gemeinsame Verdichter-/Turbinenwelle 106 betriebsmäßig verbunden ist. Der Verdichterabschnitt 102 ist ferner mit dem Turbinenabschnitt 104 über eine Brennkammeranordnung 108 strömungsmäßig verbunden. Die Brennkammeranordnung 108 enthält eine oder mehrere Brennkammern 110. Die Brennkammern 110 können an der Turbomaschine 100 in einer großen Vielfalt von Konfigurationen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, in einer ringrohrförmigen Anordnung angeordnet, montiert sein. Der Verdichterabschnitt 102 enthält mehrere Verdichterlaufräder 112. Die Laufräder 112 enthalten ein Verdichterlaufrad 114 einer ersten Stufe mit mehreren Verdichterlaufschaufeln 116 der ersten Stufe, die jeweils einen zugehörigen Schaufelblattteil 118 aufweisen. Ebenso enthält der Turbinenabschnitt 104 mehrere Turbinenlaufräder 120, die ein Turbinenlaufrad 122 einer ersten Stufe mit mehreren Turbinenlaufschaufeln 124 der ersten Stufe enthalten. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann eine stationäre Schaufel 200 (3) mit einer Kühlstruktur gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Kühlung an Endwänden und Schaufelblättern, die z.B. in dem Turbinenabschnitt 104 angeordnet sind, erzielen. Es wird jedoch verstanden, dass Ausführungsformen der stationären Schaufel 200 und der verschiedenen Kühlstrukturen, wie sie hierin beschrieben sind, in anderen Komponenten oder Bereichen der Turbomaschine 100 positioniert werden können.
Indem auf 2 verwiesen wird, ist ein Querschnitt eines Strömungspfades 130 zum Betreiben von Fluiden, der ein Schaufelblatt 150 darin enthält, veranschaulicht. Das Schaufelblatt 150 kann ein Teil der stationären Schaufel 200 (3) sein und kann ferner die Komponenten und/oder Bezugspunkte, wie sie hierin beschrieben sind, enthalten. Die Positionen an dem Schaufelblatt 150, die in 2 gekennzeichnet und hierin erläutert sind, sind als Beispiele vorgesehen und sollen mögliche Positionen und/oder Geometrien für die Schaufelblätter 150 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken. Die Platzierung, Einrichtung und Ausrichtung verschiedener Teilkomponenten können sich in Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung und der Art des Energieerzeugungssystems, in dem Kühlstrukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, verändern. Die Gestalt, Krümmungen, Längen und/oder andere geometrische Merkmale des Schaufelblattes 150 können ebenfalls basierend auf der Anwendung einer bestimmten Turbomaschine 100 (1) variieren. Das Schaufelblatt 150 kann zwischen aufeinanderfolgenden Turbinenlaufschaufeln 124 (1) eines Energieerzeugungssystems, wie beispielsweise der Turbomaschine 100, positioniert sein.
Das Schaufelblatt 150 kann stromabwärts von einer Turbinenlaufschaufel 124 (1) und stromaufwärts von einer anderen, nachfolgenden Turbinenlaufschaufel 124 (1) in einem Strömungspfad für ein Betriebsfluid positioniert sein. Fluide können über das Schaufelblatt 150, z.B. entlang von einem oder mehreren Pfaden F, strömen, während sie von einer Turbinenlaufschaufel 124 zu einer anderen strömen. Eine Vorderkante 152 des Schaufelblattes 150 kann an einem Anfangskontaktpunkt zwischen dem Betriebsfluid in dem Strömungspfad 130 und dem Schaufelblatt 150 positioniert sein. Eine Hinterkante 154 kann hingegen auf der gegenüberliegenden Seite des Schaufelblattes 150 positioniert sein. Zusätzlich kann das Schaufelblatt 150 eine Druckseitenfläche 156 und/oder eine Saugseitenfläche 158 enthalten, die anhand einer Querlinie unterschieden werden, die die Vorderkante 152 im Wesentlichen halbiert und sich bis zu der Spitze der Hinterkante 154 erstreckt. Die Druckseitenfläche 156 und die Saugseitenfläche 158 können auch basierend darauf, ob Fluide in dem Strömungspfad 130 einen positiven oder negativen resultierenden Druck gegen das Schaufelblatt 150 ausüben, voneinander unterschieden werden. Ein Teil der Druckseitenfläche 156, der in der Nähe der Hinterkante 154 positioniert ist, kann als ein „Bereich mit hoher Mach-Zahl“ des Schaufelblattes 150 bekannt sein und bezeichnet werden, basierend darauf, dass Fluide in diesem Bereich im Vergleich zu anderen Oberflächen des Schaufelblattes 150 mit einer höheren Geschwindigkeit strömen.
Indem auf 3 verwiesen wird, ist ein Querschnitt eines Strömungspfades 130 vorbei an einer innerhalb des Turbinenabschnitts 104 positionierten stationären Schaufel 200 veranschaulicht. Ein Betriebsfluid (z.B. heiße Verbrennungsgase, Dampf, etc.) kann (z.B. entlang von Strömungslinien F) durch den Strömungspfad 130 strömen, um weitere Turbinenlaufschaufeln 124 zu erreichen, wie es durch die Position und Konturen der stationären Schaufel 200 geleitet wird. Der Turbinenabschnitt 104 ist veranschaulicht, wie er sich entlang einer Rotorachse Z des Turbinenlaufrads 122 (z.B. koaxial zu der Welle 106 (1)) erstreckt, und mit einer radialen Achse R, die sich von diesem aus nach außen erstreckt. Die stationäre Schaufel 200 kann ein Schaufelblatt 150 enthalten, das im Wesentlichen entlang der radialen Achse R ausgerichtet ist (d.h. sich in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu dieser, d.h. innerhalb von ungefähr 10 Grad zu derselben Winkelebene erstreckt). Obwohl eine einzige stationäre Schaufel 200 in der Querschnittsansicht nach 3 veranschaulicht ist, wird verstanden, dass mehrere Turbinenlaufschaufeln 124 und stationäre Schaufeln 200 sich von dem Turbinenlaufrad 122 aus radial erstrecken können, wobei sie sich z.B. seitlich in die Ebene der Seite hinein und/oder aus dieser heraus erstrecken können. Ein Schaufelblatt 150 der stationären Schaufel 200 kann zwei Endwände 204, eine, die mit einem inneren radialen Ende des Schaufelblattes 150 verbunden ist, und eine andere, die mit einem gegenüberliegenden äußeren radialen Ende des Schaufelblattes 150 verbunden ist, enthalten.
Eine Endwand 204 kann in der Nähe des Turbinenlaufrads 122 positioniert sein, das im Wesentlichen an einer inneren radialen Fläche angeordnet ist, während eine andere Endwand 204 in der Nähe eines Turbinenmantels 212 positioniert sein kann, der im Wesentlichen an einer äußeren radialen Fläche angeordnet ist. Während eines Betriebs können die heißen Verbrennungsgase, die sich entlang der Strömungslinien F ausbreiten, Wärme auf das Schaufelblatt 150 und/oder die Endwand bzw. Endwände 204 z.B. mittels wirksamer Fluide, die mit dem Schaufelblatt 150 und der Endwand bzw. den Endwänden 204 der stationären Schaufel 200 in Berührung gelangen, übertragen. Das Schaufelblatt 150 der stationären Schaufel 200 kann einen Kühlkreislauf 216 darin enthalten. Der Kühlkreislauf 216 kann einen Hohlraum innerhalb des Schaufelblattes 150 zur Übertragung von Kühlfluiden in radialer Richtung durch das Schaufelblatt 150 enthalten oder als ein derartiger Hohlraum innerhalb des Schaufelblattes 150 vorgesehen sein, wobei die Kühlfluide Wärme aus dem wirksamen Fluid in dem Strömungspfad 130 über die wärmeleitende Materialzusammensetzung des Schaufelblattes 150 absorbieren können.
Der Kühlkreislauf 216, der in Form eines Prallhohlraums ausgeführt sein kann, kann ein Kühlfluid durch einen teilweise hohlen Innenraum des Schaufelblattes 150 zwischen den zwei Endwänden 204 zirkulieren lassen. Ein Prallkühlkreislauf bezieht sich allgemein auf einen Kühlkreislauf, der strukturiert ist, um einen Kühlfluidfilm an einem Abschnitt einer gekühlten Komponente (z.B. einem querverlaufenden radialen Element des Schaufelblattes 150) zu schaffen, wodurch die Übertragung der Wärmeenergie von Substanzen außerhalb der gekühlten Komponente auf ein Innenvolumen der gekühlten Komponente verringert wird. Kühlfluide in dem Kühlkreislauf 216 können aus einer Kammer 218 stammen und/oder zu einer Kammer 218 strömen, die innerhalb einer einzelnen Endwand 204 oder innerhalb von beiden Endwänden 204 positioniert ist. Kühlfluide in der (den) Kammer(n) 218, die nicht durch den Kühlkreislauf 216 geströmt sind, können als „Vorprall“-Kühlfluide bezeichnet werden, während Kühlfluide in der (den) Kammer(n) 218, die zuvor durch den Kühlkreislauf 216 geströmt sind, als „Nachprall“-Kühlfluide bezeichnet werden können. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können unter anderem eine Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel 200 mit einer Kammer 218 zur Absorption von Wärme aus mehreren Oberflächen der Endwand bzw. der Endwände 204 in der Nähe der Stelle, an der das Schaufelblatt 150 mit der Endwand bzw. den Endwänden 204 zusammentrifft, bereitstellen.
Indem auf 4 verwiesen wird, ist eine weggeschnittene Perspektivansicht einer Endwand 204 mit zwei Kammern 218 in der Nähe eines Querschnitts der beiden Schaufelblätter 150 veranschaulicht. Jedes Schaufelblatt 150 kann von der Endwand 204 radial, d.h. im Wesentlichen senkrecht relativ zu der Rotorachse der Turbomaschine 100 (1) vorragen. In dem hierin verwendeten Sinne bezieht sich der Ausdruck „im Wesentlichen senkrecht“ oder „in im Wesentlichen senkrechter Richtung“ auf einen Winkel von 90 Grad oder einen Winkel, der sich von 90 Grad durch eine unwesentliche Größe unterscheidet, z.B. innerhalb eines Bereiches zwischen ungefähr 85 Grad und ungefähr 95 Grad liegt. Obwohl in 4 als ein Beispiel zwei Schaufelblätter 150 veranschaulicht sind, die mit der Endwand 204 verbunden sind (d.h. in einer Turbinenleitschaufelpaarkonfiguration bzw. -dupletkonfiguration), wird verstanden, dass jede beliebige gewünschte Anzahl von Schaufelblättern 150 mit der Endwand 204 verbunden sein kann, um zu verschiedenen Turbomaschinenkonstruktionen und -anwendungen zu passen. Jedes Schaufelblatt 150 kann eine von vielfältigen Schaufelblattkonstruktionen und/oder -implementierungen aufweisen, und als ein Beispiel kann es eines von Schaufelblättern 150 einer freitragenden Turbinenleitschaufel und/oder einer Leitschaufel einer zweiten Stufe der Turbomaschine 100 sein. Ebenso kann die Endwand 2014 zwei Kammern 218, die jeweils einem einzelnen Schaufelblatt 150 in einer Paar- oder Dupletkonfiguration entsprechen können, oder eine beliebige gewünschte Anzahl von Kammern 218 darin enthalten, um sich für verschiedene Anwendungen zu eignen.
Ein oder mehrere Einlässe 220 können für eine Fluidverbindung zwischen jeder Kammer 218 und einer Kühlfluidquelle, z.B. einem Kühlkreislauf oder mehreren Kühlkreisläufen 216, sorgen. Jede Kammer 218 kann im Wesentlichen sichelförmig gestaltet sein. In dem hierin verwendeten Sinne kann der Ausdruck „im Wesentlichen sichelförmig“ jede beliebige Geometrie enthalten, die zwei abzweigende unabhängige Pfade enthält, die von demselben Konvergenzpunkt ausgehen und sich in wenigstens eine gemeinsame Richtung erstrecken. Als Beispiele kann eine Sichelform gemäß dieser Definition eine C-Form, eine V-Form, eine J-Form, einen Bogen, eine bumerangartige Gestalt, eine Halbmondgestalt oder Armbeugengestalt, etc. umfassen. Unabhängig von der Art der im Wesentlichen sichelförmigen Gestalt kann ein Ende der Kammer 218 in der Nähe der Druckseitenfläche 156 oder der Saugseitenfläche 158 des Schaufelblattes 150 positioniert sein, während ein entgegengesetztes Ende der Kammer 218 in der Nähe der gegenüberliegenden Druck- oder Saugseitenfläche 156, 158 des Schaufelblattes 150 positioniert sein kann. Die Kammer 218 kann sich somit rings um die oder unterhalb der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 erstrecken. Außerdem können zwei Bereiche der Kammer 218 unterhalb der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 radial konvergieren. Die im Wesentlichen sichelförmige Geometrie der Kammer 218 kann somit eine umgreifende Geometrie bereitstellen, die den Konturen des Schaufelblattes 150 entlang von Abschnitten der Druckseitenfläche 156 und/oder der Saugseitenfläche 850 im Wesentlichen folgt, jedoch radial unterhalb der Hinterkante 154 verläuft.
Jede Kammer 218 kann einen vorderen Bereich 222 und einen hinteren Bereich 224 darin enthalten. Der vordere Bereich 222 kann in der Nähe der Druckseitenfläche 156 oder der Saugseitenfläche 158 positioniert, d.h. nur durch die Materialzusammensetzung der Endwand 204 von dieser getrennt sein. Der vordere Bereich 222 ist in 4 als ein Beispiel veranschaulicht, wie er sich in der Nähe der Druckseitenfläche 156 befindet, kann sich jedoch in alternativen Ausführungsformen in der Nähe der Saugseitenfläche 158 befinden. Außerdem kann, wie in 4 veranschaulicht, der vordere Bereich 222 der Kammer 218 in der Nähe der Druckseitenfläche 156 eines entsprechenden Schaufelblattes 150 positioniert sein, während er auch in der Nähe der Saugseitenfläche 158 eines anderen Schaufelblattes 150 angeordnet ist. Der hintere Bereich 224 kann in der Nähe von sowohl der Hinterkante 154 als auch der gegenüberliegenden Druckseitenfläche 156 oder Saugseitenfläche 158 relativ zu dem vorderen Bereich 222 positioniert sein. Der vordere Bereich 222 und der hintere Bereich 224 können lediglich basierend auf ihrer Position relativ zu Oberflächen des Schaufelblattes 150 voneinander unterscheidbar sein, wobei jedoch verstanden wird, dass weitere strukturelle Merkmale, wie beispielsweise ein zusätzlicher Abschnitt oder eine zusätzliche Struktur, der bzw. die zwischen dem vorderen Bereich 222 und dem hinteren Bereich 224 angeordnet sind, wie hierin anderweitig erläutert, den vorderen Bereich 222 der Kammer 218 von dem hinteren Bereich 224 der Kammer 218 weiter unterscheiden können.
Während eines Betriebs der Turbomaschine 100 (1) können Kühlfluide in die Kammer 218 durch den Einlass bzw. die Einlässe 220 eintreten, um nachfolgend durch den vorderen Bereich 222 und den hinteren Bereich 224 hindurchzutreten, bevor sie die Kammer 218 durch den Auslass bzw. die Auslässe 226 verlassen. Jede Kammer 218 kann Einlässe von z.B. einem einzelnen Kühlkreislauf 216 oder mehreren Kühlkreisläufen 216 der jeweiligen Schaufelblätter 150 enthalten. Kühlfluide in dem vorderen Bereich 222 der Kammer 218 können Wärme aus einem Abschnitt der Endwand 204 absorbieren, der in der Nähe der Druckseitenfläche 156 oder der Saugseitenfläche 158 des Schaufelblattes 150 positioniert ist, während sie durch diesen hindurchtreten, z.B. über eine Wärmeübertragung von dem Schaufelblatt 150 auf die Kammer 218 durch die Endwand 204 hindurch. Kühlfluide in dem hinteren Bereich 224 der Kammer 218 können Wärme aus einem Abschnitt der Endwand 204 absorbieren, der in der Nähe der Druckseitenfläche 156 oder der Saugseitenfläche 158 (der Oberfläche in der Nähe des vorderen Bereichs 222 gegenüberliegend) und der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 positioniert ist, absorbieren, während sie durch diesen hindurchtreten. Der vordere Bereich 222 und der hintere Bereich 224 der Kammer 218 können in Radialrichtung unterhalb der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 miteinander konvergieren. In anderen Ausführungsformen können, wie hierin in weiteren Einzelheiten erläutert, der vordere Bereich 222 und der hintere Bereich 224 an einem Übergangsbereich 236 (6) konvergieren, der z.B. die gleiche axiale Länge wie die Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 überspannt. Der hintere Bereich 224 und der vordere Bereich 222 können sich voneinander und/oder von dem Übergangsbereich 236 aus im Wesentlichen senkrecht relativ zueinander und innerhalb derselben radialen Ebene der Endwand 204 erstrecken.
Der vordere Bereich 222 und der hintere Bereich 224 der Kammer 218 können gestaltet sein, um unterschiedliche Abmessungen und/oder Konturen zu haben. In einer Ausführungsform kann der vordere Bereich 222 eine axiale Länge (z.B. entlang der Achse Z) aufweisen, die wenigstens ungefähr die Hälfte der axialen Länge des Schaufelblattes 150 entlang der nahegelegenen Druckseitenfläche 156 oder Saugseitenfläche 158 misst. Demgegenüber kann sich der hintere Bereich 224 über weniger als die Hälfte einer axialen Länge der gegenüberliegenden Druckseitenfläche 156 oder Saugseitenfläche 158 des Schaufelblattes 150 erstrecken. Die axiale Länge des hinteren Bereichs 224, die kleiner ist als eine axiale Länge des vorderen Bereichs 222, kann bewirken, dass der vordere Bereich 222 deutlich größer ist als der hintere Bereich 224, so dass die im Wesentlichen sichelförmige Kammer 218 eine J-förmige Gestalt aufweist.
Bezugnehmend auf die 4 und 5 gemeinsam können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine beliebige Anzahl von wärmeleitenden Einrichtungen („Einrichtungen“) 230, wie beispielsweise einen Sockel, innerhalb der Kammer(n) 218 (z.B. innerhalb des vorderen Bereichs 222 oder des hinteren Bereichs 224) enthalten, um Wärme von der stationären Schaufel 200 auf Kühlfluide innerhalb der Kammer(n) 218 zu übertragen. Insbesondere kann jede Einrichtung 230 Wärme von der Endwand 204 auf Kühlfluide in dieser übertragen, indem sie den Kontaktbereich zwischen den Kühlfluiden, die die Kammer(n) 218 durchströmen, und der Materialzusammensetzung der Endwand 204 vergrößern. Die Einrichtungen 230 können als eine beliebige denkbare Einrichtung zur Vergrößerung des Kontaktbereiches zwischen Kühlfluiden und wärmeleitenden Oberflächen vorgesehen sein, und sie können beispielhaft die Form von Absätzen, Vertiefungen, Vorsprüngen, Zapfen, Wänden und/oder anderen Einrichtungen mit anderen Formen und Größen aufweisen. Außerdem können die Einrichtungen 230 vielfältige Formen, einschließlich derjenigen mit zylindrischen Geometrien, im Wesentlichen pyramidenförmigen Geometrien, unregelmäßigen Geometrien mit vier oder mehreren Oberflächen, etc., einnehmen. In jedem Fall kann eine oder können mehrere Einrichtungen 230 innerhalb der Kammer 218 an einer Stelle des Kühlfluidströmungspfades, die sich stromabwärts von dem Einlass bzw. den Einlässen 220 und stromaufwärts von dem Auslass bzw. den Auslässen 226 befindet, positioniert sein.
Die Positionierung der Einrichtungen 230 kann zusätzlich zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen der Endwand 204 und den Kühlfluiden darin die Temperaturdifferenz zwischen den Kühlfluiden innerhalb des vorderen Bereichs 222 und des hinteren Bereichs 224 vergrößern. Der Abstand zwischen benachbarten Einrichtungen 230 kann bemessen sein, um eine Inspektion und Tests mittels bestimmter Instrumente zu berücksichtigen. Eine Inspektion der stationären Schaufel 200 kann z.B. eine Berührung einer Fertigteilkomponente der stationären Schaufel 200 und/oder einer teilweise konstruierten stationären Schaufel 200 oder der Endwand 204 mit einer Boroskoplinse oder einer anderen Maschine zum Testen der Eigenschaften eines Materials enthalten. Z.B. können benachbarte Einrichtungen 230 einen hinreichenden Trennabstand aufweisen, damit eine Boroskoplinse oder ein anderes Teil einer Prüfausrüstung innerhalb der Kammer(n) 218 zwischen verschiedenen Sockeln 230 platziert werden kann. Der Abstand zwischen den Sockeln kann zwischen Anwendungen variieren und kann als ein Beispiel zwischen z.B. ungefähr einem Millimeter (mm) und ungefähr 20 mm betragen, um einen Bereich von Boroskopdurchmessern zu berücksichtigen. In einigen Ausführungsformen können die Sockel 230 in der Kammer 218 teilweise oder vollständig fehlen. Die Kammer 218 kann auch durch eine Umfassungswand 232 begrenzt sein, die sich über eine vorbestimmte radiale Länge der Endwand 204 erstreckt, wodurch eine Höhenabmessung der Kammer 218 definiert ist. In Ausführungsformen, in denen die Kammer 218 die Sockel 230 in dieser enthält, kann die Kammer 218 auch mehrere Zugangsbereiche 234 enthalten, die im Wesentlichen entlang von Abschnitten der Umfassungswand 232 positioniert sind. Jeder Zugangsbereich 234 kann frei von Sockeln 230 in diesem sein, wodurch zusätzlicher Raum zur Durchführung von Inspektionen der Kammer 218 mit einem Boroskop und/oder mit anderen Werkzeugen bereitgestellt wird.
Indem auf 6 verwiesen wird, ist eine perspektivische weggeschnittene Teilansicht der Endwand 204 mit den Kammern 218 darin veranschaulicht. Eine oder mehrere Kammern 218 der Endwand 204 können ferner einen Übergangsbereich 236 enthalten, der zwischen dem vorderen Bereich 222 und dem hinteren Bereich 224 der Kammer 218 positioniert ist. Um die Wärmeübertragungsrate von dem Schaufelblatt 150 auf Kühlfluide in der Kammer 218 zu erhöhen, kann der Übergangsbereich 236 mit der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 im Wesentlichen radial ausgerichtet sein. Außerdem kann der Übergangsbereich 236 zur Vergrößerung der Strömungsrate von Kühlfluiden durch den Übergangsbereich 236 hindurch optional Einrichtungen 230 darin enthalten. In einer alternativen Ausführungsform kann der Übergangsbereich 236 frei von Einrichtungen 230 in diesem sein. Um einen Teil des Kühlfluides, das keine Wärme in dem hinteren Bereich 224 absorbiert hat, abzuzweigen, kann ein oder können mehrere Auslässe 226 mit dem Übergangsbereich 236 wenigstens teilweise in Fluidverbindung stehen. Um weiter eine Wärmeübertragung von der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 aus bereitzustellen, kann eine axiale Weite des Übergangsbereichs 236 zwischen dem vorderen Bereich 222 und dem hinteren Bereich 224 ungefähr einer axialen Weite der Hinterkante 154 entsprechen, so dass im Wesentlichen keine Einrichtungen 230 radial unterhalb der Hinterkante 254 positioniert sind.
Indem auf 7 verwiesen wird, ist eine perspektivische Teilansicht des Übergangsbereichs 236 in weiteren Einzelheiten veranschaulicht. Der Übergangsbereich 236 kann optional einen Vorsprung 238 in ihm enthalten, der sich z.B. von einer oberen oder unteren radialen Oberfläche der Kammer 218 aus erstreckt, um Kühlfluide in dem vorderen Bereich 222 in den hinteren Bereich 224 der Kammer 218 hinein zu leiten. Der Vorsprung 238 kann die Form einer länglichen Einrichtung aufweisen, wie beispielsweise anhand eines Beispiels in 7 veranschaulicht, und kann aus dem gleichen wärmeleitenden Material wie die Endwand 204 oder aus einem anderen wärmeleitenden Material aufgebaut sein. Wie ferner in 7 veranschaulicht, kann der Vorsprung 238 eine andere Gestalt als die Einrichtung(en) 230, wie beispielsweise die einer länglichen Trennwand, eines Verwirblers, einer Leitschaufel etc., aufweisen, um wenigstens einen Teil der Kühlfluide in den hinteren Bereich 224 der Kammer 218 zu leiten. Im Betrieb kann der Vorsprung 238 basierend darauf, ob eine weitere Wärmeabsorption in dem Übergangsbereich 238 erwünscht ist, wärmeleitend oder wärmeisolierend sein. Der Vorsprung 238 kann während eines Betriebs auch Teile der Kühlluft innerhalb der Kammer 218 in den hinteren Bereich 224 und/oder in andere Komponenten über die Auslässe 226 leiten.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können verschiedene technische und kommerzielle Vorteile bieten, von denen einige beispielhaft hierin erläutert sind. Z.B. kann die Bereitstellung einer im Wesentlichen sichelförmigen Kammer innerhalb der Endwand bzw. Endwände 204 eine Wärmeaustauschverbindung zwischen verschiedenen Oberflächen des Schaufelblattes 150 und Kühlfluiden innerhalb der Endwand 204 verbessern. Unter anderem kann eine verbesserte Wärmeaustauschverbindung die Gesamtmenge der Leitschaufelkühlströmung, die während eines Betriebs benötigt wird, reduzieren, und sie kann die Komplexität der Konstruktion, die erforderlich ist, um Endwände 204 aus gegossenen, eisenhaltigen Metallsubstanzen, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Eisen, Blei und/oder Kombinationen von diesen Materialien, reduzieren. Die im Wesentlichen sichelförmige Gestalt der Kammer 218 mit einem Konvergenzpunkt, der zu der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 radial versetzt angeordnet ist, kann die mechanische Steifigkeit der Kammer 218 reduzieren. Diese Reduktion der mechanischen Steifigkeit kann daraus abgeleitete mechanische Vorteile, wie beispielsweise eine verbesserte Herstellbarkeit und/oder Haltbarkeit, ergeben.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf irgendeine spezielle Gasturbine, Verbrennungsmaschine, irgendein bestimmtes Energieerzeugungssystem oder anderes System beschränkt und können mit Energieerzeugungssystemen und/oder Systemen (z.B. Kombikraftwerken, Einfachzykluskraftwerken, Kernreaktoren, etc.) verwendet werden. Außerdem kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen hierin nicht beschriebenen Systemen verwendet werden, die von dem vergrößerten Betriebsbereich, der erhöhten Effizienz, größeren Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der hierin beschriebenen Vorrichtung profitieren können. Zusätzlich können die verschiedenen Eindüsungssysteme gemeinsam an einer einzigen Leitschaufel oder an/mit verschiedenen Leitschaufeln in verschiedenen Abschnitten eines einzigen Energieerzeugungssystems verwendet werden. Es kann eine beliebige Anzahl verschiedener Ausführungsformen hinzugeführt oder gemeinsam verwendet werden, wenn es erwünscht ist, und die Ausführungsformen, die hierin anhand eines Beispiels beschrieben sind, sollen einander gegenseitig nicht ausschließen.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll für die Offenbarung nicht beschränkend sein. In dem hierin verwendeten Sinne sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“ bzw. „das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern aus dem Kontext nicht deutlich was anderes hervorgeht. Es wird ferner verstanden, dass die Ausdrücke „aufweist“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Gegenwart der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch die Gegenwart oder Aufnahme eines/einer oder mehrerer weiterer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung auszuführen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel bereit, die enthalten kann: eine Endwand 204, die mit einem radialen Ende eines Schaufelblattes 150 relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine 100 verbunden ist; und eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer 218, die innerhalb der Endwand 204 positioniert und zu einer Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 radial versetzt ist, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer 218 ein Kühlfluid von einem Kühlkreislauf 216 empfängt, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer 218 sich von einem vorderen Bereich 222, der in der Nähe einer von einer Druckseitenfläche 156 und einer Saugseitenfläche 158 des Schaufelblattes 150 positioniert ist, bis zu einem hinteren Bereich 154 erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante 154 des Schaufelblattes 150 und der anderen von der Druckseitenfläche 156 und der Saugseitenfläche 158 des Schaufelblattes 150 positioniert ist, wobei der hintere Bereich 224 der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer 218 mit dem vorderen Bereich 222 der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer 218 in Fluidverbindung steht.
Bezugszeichenliste

100: Turbomaschine
102: Verdichterabschnitt
104: Turbinenabschnitt
106: Welle
108: Brennkammeranordnung
110: Brennkammer
112: Laufrad
114: Verdichterlaufrad der ersten Stufe
116: Verdichterlaufschaufeln der ersten Stufe
118: Schaufelblattabschnitt
120: Turbinenlaufräder
122: Turbinenlaufrad der ersten Stufe
124: Turbinenlaufschaufeln
130: Strömungspfad
150: Schaufelblatt
152: Vorderkante
154: Hinterkante
156: Druckseitenfläche
158: Saugseitenfläche
200: stationäre Schaufeln
204: Endwand
212: Turbinenmantel
216: Kühlkreislauf
218: sichelförmige Kammer
220: Einlässe
222: vorderer Bereich
224: hinterer Bereich
226: Auslässe
230: wärmeleitende Einrichtungen
232: Umfassungswand
234: Zugangsbereiche
236: Übergangsbereich
238: Vorsprung

Claims

Kühlstruktur für eine stationäre Schaufel (200), die aufweist: eine Endwand (204), die mit einem radialen Ende eines Schaufelblattes (150) relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine (100) verbunden ist, wobei das Schaufelblatt (150) eine Druckseitenfläche (156), eine Saugseitenfläche (158), eine Vorderkante (152) und eine Hinterkante (154) enthält; und eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218), die innerhalb der Endwand (204) positioniert und zu der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) radial versetzt ist, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ein Kühlfluid von einem Kühlkreislauf (216) empfängt, wobei sich die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) von einem vorderen Bereich (222), der in der Nähe von einer von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) positioniert ist, bis zu einem hinteren Bereich (224) erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) und der anderen von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) positioniert ist, wobei das Kühlfluid in dem vorderen Bereich (222) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe von einer von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) in Wärmeverbindung steht, wobei das Kühlfluid in dem hinteren Bereich (224) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit dem vorderen Bereich (222) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) in Fluidverbindung steht.
Kühlstruktur nach Anspruch 1, wobei der hintere Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) sich von einem Ende des vorderen Bereichs (222) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) aus im Wesentlichen senkrecht erstreckt.
Kühlstruktur nach Anspruch 1 oder 2, die ferner mehrere wärmeleitende Einrichtungen (230) aufweist, die sich durch wenigstens einen von dem vorderen Bereich (222) und dem hinteren Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) erstrecken.
Kühlstruktur nach Anspruch 3, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ferner eine Umfassungswand (232) enthält und ferner mehrere Zugangsbereiche (234) aufweist, die im Wesentlichen entlang der Umfassungswand (232) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) positioniert sind, wobei jeder der mehreren Zugangsbereiche (234) frei von wärmeleitenden Einrichtungen (230) darin ist.
Kühlstruktur nach Anspruch 3 oder 4, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ferner einen Übergangsbereich (236) enthält, der mit der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) im Wesentlichen radial ausgerichtet und zwischen dem vorderen Bereich (222) und dem hinteren Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) positioniert ist, wobei der Übergangsbereich (236) frei von wärmeleitenden Einrichtungen (230) darin ist.
Kühlstruktur nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine axiale Längenkomponente des vorderen Bereichs (222) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) wenigstens ungefähr die Hälfte einer axialen Längenkomponente einer von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) beträgt.
Kühlstruktur nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ferner einen Übergangsbereich (236) enthält, der mit der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) im Wesentlichen radial ausgerichtet und zwischen dem vorderen Bereich (222) und dem hinteren Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) positioniert ist, und ferner einen Vorsprung (238) aufweist, der sich von einer radialen Fläche des Übergangsbereichs (236) aus erstreckt, wobei der Vorsprung eingerichtet ist, um das Kühlfluid von dem vorderen Bereich (222) in den hinteren Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) zu leiten; und wobei eine Weite des Übergangsbereichs (236) zwischen dem vorderen Bereich (222) und dem hinteren Bereich (224) vorzugsweise in etwa einer axialen Weite der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) entspricht.
Kühlstruktur nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) eine von wenigstens zwei im Wesentlichen sichelförmigen Kammern (218) aufweist, die innerhalb der Endwand (204) positioniert sind, und wobei das Schaufelblatt (150) eines von einem Paar von Schaufelblättern (150) aufweist, die von der Endwand (204) aus im Wesentlichen radial vorragen.
Stationäre Schaufel (200), die aufweist: ein Schaufelblatt (150), das eine Druckseitenfläche (156), eine Saugseitenfläche (158), eine Vorderkante (152) und eine Hinterkante (154) enthält, wobei das Schaufelblatt (150) ferner einen Kühlkreislauf (216) darin enthält; eine Endwand (204), die mit einem radialen Ende des Schaufelblattes (150) relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine (100) verbunden ist; und eine im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218), die innerhalb der Endwand (204) positioniert und zu der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) radial versetzt ist, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ein Kühlfluid von dem Kühlkreislauf (216) empfängt, wobei die im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) sich von einem vorderen Bereich (222), der in der Nähe von einer von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) positioniert ist, bis zu einem hinteren Bereich (224) erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) und der anderen von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) positioniert ist, wobei das Kühlfluid in dem vorderen Bereich (222) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe von einer von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des Schaufelblattes (150) in Wärmeverbindung steht, wobei das Kühlfluid in dem hinteren Bereich (224) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe der Hinterkante (154) des Schaufelblattes (150) in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich (224) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit dem vorderen Bereich (222) der im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) in Fluidverbindung steht.
Turbinenleitschaufelpaar, das aufweist: ein erstes Schaufelblatt (150) mit einem ersten Kühlkreislauf (216) darin; eine Endwand (204), die mit einem radialen Ende des ersten Schaufelblattes (150) relativ zu einer Rotorachse einer Turbomaschine (100) verbunden ist; ein zweites Schaufelblatt (150) mit einem zweiten Kühlkreislauf (216) darin, wobei das zweite Schaufelblatt (150) im Wesentlichen parallel zu dem ersten Schaufelblatt ausgerichtet ist, wobei die Endwand (204) mit einem radialen Ende des Schaufelblattes relativ zu der Rotorachse der Turbomaschine (100) verbunden ist und wobei jedes von dem ersten Schaufelblatt und dem zweiten Schaufelblatt ferner eine Druckseitenfläche (156), eine Saugseitenfläche (158), eine Vorderkante (152) und eine Hinterkante (154) enthält; eine erste im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218), die innerhalb der Endwand (204) positioniert und zu der Hinterkante (154) des ersten Schaufelblattes (150) radial versetzt ist, wobei die erste im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ein erstes Kühlfluid von dem ersten Kühlkreislauf (216) empfängt, wobei die erste im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) sich von einem vorderen Bereich (222), der in der Nähe der Saugseitenfläche (158) des ersten Schaufelblattes (150) positioniert ist, bis zu einem hinteren Bereich (224) erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante (154) des ersten Schaufelblattes (150) und der anderen von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des ersten Schaufelblattes (150) positioniert ist, wobei das erste Kühlfluid in dem vorderen Bereich (222) der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe von einer von der Druckseitenfläche und der Saugseitenfläche des ersten Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht, wobei das erste Kühlfluid in dem hinteren Bereich (224) der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe der Hinterkante (154) des ersten Schaufelblattes in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich (224) der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit dem vorderen Bereich (222) der ersten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) in Fluidverbindung steht; und eine zweite im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218), die innerhalb der Endwand (204) positioniert und zu der Hinterkante (154) des zweiten Schaufelblattes (150) radial versetzt ist, wobei die zweite im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) ein zweites Kühlfluid von dem zweiten Kühlkreislauf (216) empfängt, wobei die zweite im Wesentlichen sichelförmige Kammer (218) sich von einem vorderen Bereich (222), der in der Nähe der Saugseitenfläche (158) des zweiten Schaufelblattes (150) positioniert ist, bis zu einem hinteren Bereich (224) erstreckt, der in der Nähe der Hinterkante (154) des zweiten Schaufelblattes (150) und der anderen von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des zweiten Schaufelblattes positioniert ist, wobei das zweite Kühlfluid in dem vorderen Bereich (222) der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe von einer von der Druckseitenfläche (156) und der Saugseitenfläche (158) des zweiten Schaufelblattes (150) in Wärmeverbindung steht, wobei das zweite Kühlfluid in dem hinteren Bereich (224) der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit einem Abschnitt der Endwand (204) in der Nähe der Hinterkante (154) des zweiten Schaufelblattes (150) in Wärmeverbindung steht und wobei der hintere Bereich (224) der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) mit dem vorderen Bereich (222) der zweiten im Wesentlichen sichelförmigen Kammer (218) in Fluidverbindung steht.