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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Diese vorliegende Erfindung betrifft innere Kühlkanäle und Konfigurationen von Schaufeln in Gasturbinen. Insbesondere, doch nicht einschränkend, betrifft die vorliegende Anmeldung innere Kühlkanäle und strukturelle Konfigurationen, die nahe der radial äußeren Spitze von Turbinenlaufschaufeln ausgebildet sind.
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Es versteht sich, dass Verbrennungsmotoren oder Gasturbinenantriebe (“Gasturbinen”) Verdichter- und Turbinenabschnitte enthalten, in denen Reihen von Schaufeln axial in Stufen gestapelt sind. Jede Stufe enthält eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Statorschaufeln, die fest angebracht sind, und eine Reihe von Laufschaufeln, die um eine zentrale Turbinenachse oder Welle rotieren. Im Betrieb rotieren die Verdichterlaufschaufeln im Allgemeinen um die Welle und verdichten im Zusammenwirken mit den Statorschaufeln einen Luftstrom. Die Zufuhr von verdichteter Luft wird dann in einer Brennkammer verwendet, um eine Zufuhr von Brennstoff zu verbrennen. Der sich ergebende Strom heißer sich ausdehnender Gase aus der Verbrennung, d.h. das Arbeitsfluid, wird durch den Turbinenabschnitt des Antriebs expandiert. Der Strom von Arbeitsfluid durch die Turbine wird von den Statorschaufeln auf die Laufschaufeln umgeleitet, um eine Rotation herbeizuführen. Die Laufschaufeln sind mit einer zentralen Welle derart verbunden, dass die Rotation der Laufschaufeln die Welle rotierend antreibt. Auf diese Weise wird die im Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die beispielsweise verwendet werden kann, um die Laufschaufeln des Verdichters derart drehend anzutreiben, dass die zur Verbrennung benötigte Zufuhr von verdichteter Luft erzeugt wird, und die Spulen eines Generators derart drehend anzutreiben, dass elektrischer Strom erzeugt wird. Während des Betriebs werden die Schaufeln innerhalb der Turbine aufgrund der extremen Temperaturen des Heißgaspfades, der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebs durch extreme mechanische und thermische Belastungen hochbeansprucht.
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Die Entwicklung wirksamer und kosteneffizienter Gasturbinen ist ein fortwährendes und bedeutsames Ziel. Während verschiedene Strategien zum Erhöhen des Wirkungsgrads von Gasturbinen bekannt sind, bleibt dies ein herausforderndes Ziel, da derartige Alternativen – die beispielsweise das Erhöhen der Größe der Turbine, das Erhöhen der Temperaturen durch den Heißgaspfad und das Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeiten der Laufschaufeln enthalten – im Allgemeinen den Schaufeln und anderen Komponententeilen im Heißgaspfad, die bereits hochbeansprucht sind, eine zusätzliche Belastung auferlegen. Im Ergebnis bleiben verbesserte Einrichtungen, Verfahren oder Systeme, die Turbinenschaufeln auferlegte Betriebsbeanspruchungen verringern oder den Turbinenschaufeln gestatten, diesen Beanspruchungen besser standzuhalten, so dass die Antriebe effektiver arbeiten können, ein bedeutendes Gebiet für technologische Verbesserung.
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Eine Strategie zum Abschwächen der Beanspruchungen auf den Schaufeln besteht in ihrem aktiven Kühlen während des Betriebs. Ein derartiges Kühlen kann den Schaufeln gestatten, höheren Zündtemperaturen und mechanischen Beanspruchungen besser standzuhalten, was die Lebensdauer der Schaufeln verlängern kann und im Allgemeinen die Turbine kosteneffizienter und effizienter im Betrieb werden lässt. Ein Ansatz, Schaufeln während des Betriebs zu kühlen, ist durch die Verwendung innerer Kühlkanäle oder -kreisläufe. Im Allgemeinen enthält dies das Durchleiten einer verhältnismäßig kühlen Zufuhr an verdichteter Luft, die aus dem Verdichter über innere Kühlkanäle abgeleitet wurde. Aus einer Reihe von Gründen versteht es sich, dass bei der Konstruktion und Herstellung dieser inneren Kühlkanäle eine große Sorgfalt erforderlich ist.
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Zuerst verringert die Verwendung von Kühlluft den Wirkungsgrad des Antriebs. Insbesondere ist Luft aus dem Verdichter, die für Kühlzwecke umgeleitet wird, Luft, die anderenfalls im Verbrennungsvorgang verwendet werden könnte. Im Ergebnis verringert die Verwendung dieser Luft notwendigerweise die für die Verbrennung verfügbare Luft und verringert somit den allgemeinen Wirkungsgrad. Dies erfordert, dass Kühlkanäle hocheffizient sind, so dass die Verwendung von Luft zum Kühlen minimiert wird. Zweitens erfordert die aktuelle Turbinenschaufelkonstruktion scharf geformte, aerodynamische Konfigurationen, die dünner und gekrümmter oder gewundener sind. Diese neuen Schaufelkonfigurationen legen ferner Wert auf kompakte und effiziente Kanäle. Diese neuen Konstruktionen erzeugen auch räumliche Beschränkungen, die die Herstellung traditioneller Kühlkanalkonfigurationen unter Verwendung herkömmlicher Herangehensweisen behindern oder beschränken. Drittens müssen innere Kühlkanäle dazu eingerichtet sein, leichtgewichtige Laufschaufeln zu begünstigen, während sie noch eine ausreichend robuste Struktur zum Standhalten extremer Belastungen bereitstellen müssen. Das heißt, während die Kühlkanalkonstruktion eine effektive Weise ist, das Gesamtgewicht der Schaufel zu reduzieren, – was den Wirkungsgrad begünstigt und mechanische Belastungen reduziert – müssen die Schaufeln trotzdem sehr robust bleiben. Kühlkanäle müssen deshalb konstruiert sein, um sowohl Material als auch Gewicht zu entfernen, während immer noch eine strukturelle Robustheit gefördert wird. Innere Anordnungen müssen auch Beanspruchungskonzentrationen oder unzulänglich gekühlte Bereiche (oder “Heißstellen”) vermeiden, die die Lebensdauer von Teilen negativ beeinflussen können. Viertens müssen Kühlkonfigurationen auch so konstruiert sein, dass abgegebenes Kühlmittel eine Oberflächenkühlung und einen effizienten aerodynamischen Betrieb begünstigt. Da Kühlkanäle in der Regel Kühlmittel nach dem Umwälzen durch die inneren Kühlkanäle in den Strömungsweg des Arbeitsfluids abgeben, betrifft insbesondere eine andere Konstruktionsbetrachtung die Verwendung von abgegebenem Kühlmittel zur Oberflächenkühlung sowie das dazugehörige Minimieren der aerodynamischen Verluste. Es wird sich häufig auf ausgestoßenes Kühlmittel verlassen, um an Außenflächen oder Bereichen der Schaufel nach seiner Freisetzung eine Kühlung bereitzustellen, und dies muss sowohl mit Innenkühlstrategien als auch mit der aerodynamischen Leistung ineinandergreifen.
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Es versteht sich, dass gemäß diesen und anderen Kriterien die Konstruktion von inneren Kühlkonfigurationen innerhalb von Turbinenschaufeln viele komplexe, häufig widerstreitende Betrachtungen enthält. Neue Konstruktionen, die diese in einer Weise ausgleichen, die ein oder mehrere gewünschte Leistungskriterien optimiert oder verbessert – während immer noch eine strukturelle Strapazierfähigkeit, Langlebigkeit von Teilen, ein kosteneffizienter Turbinenbetrieb und die effiziente Verwendung von Kühlmittel angemessen begünstigt werden – stellen bedeutende technologische Fortschritte dar.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem Aspekt beschreibt die vorliegende Anmeldung somit eine Turbinenlaufschaufel, die enthalten kann: ein Schaufelblatt, das zwischen einer konkaven Druckseite und einer seitlich gegenüberliegenden konvexen Saugseite definiert ist, wobei sich die Druckseite und die Saugseite axial zwischen gegenüberliegenden Anström- und Abströmkanten und radial zwischen einer äußeren Spitze und einem inneren Ende, das an einem Fuß befestigt ist, der dazu eingerichtet ist, die Laufschaufel mit einer Rotorscheibe zu koppeln, erstrecken; ein Spitzendeckband, das mit der äußeren Spitze des Schaufelblatts verbunden ist, wobei das Spitzendeckband eine von einer äußeren Fläche ragende Abdichtschiene und einen auf der Abdichtschiene ausgebildeten Schneidezahn umfasst; und eine Kühlkonfiguration, die einen Kühlkanal zum Aufnehmen und Leiten eines Kühlmittels durch ein Inneres der Laufschaufel enthält. Der Kühlkanal umfasst strömungsmäßig verbundene Segmente, in denen: sich ein Zufuhrsegment radial durch das Schaufelblatt erstreckt; ein Plenumsegment innerhalb der Abdichtschiene ausgebildet ist; und Verzweigungssegmente innerhalb mindestens einem von dem Spitzendeckband und einem äußeren Bereich des Schaufelblatts ausgebildet sind. Jedes der Verzweigungssegmente erstreckt sich zwischen einer stromaufwärtigen Öffnung, die mit dem Schneidezahnsegment verbunden ist, und einer Auslassöffnung, die an einer Zielfläche ausgebildet ist, und teilt dazwischen einen Zielinnenbereich entzwei.
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In der vorstehend erwähnten Laufschaufel kann das Plenumsegment ein innerhalb des Schneidezahns der Abdichtschiene ausgebildetes Schneidezahnsegment umfassen. Das Spitzendeckband kann eine sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende, von der äußeren Spitze des Schaufelblatts gehaltene Komponente umfassen. Das Spitzendeckband kann eine innere Fläche gegenüberliegend der äußeren Fläche über eine radiale Dicke des Spitzendeckbands und eine Kante, die ein äußeres Profil des Spitzendeckbands definiert und die innere Fläche mit der äußeren Fläche verbindet, umfassen. Die Abdichtschiene kann radial nach außen von der äußeren Fläche des Spitzendeckbands ragen und sich in Umfangsrichtung in einer Rotationsrichtung der Laufschaufel erstrecken. Der Schneidezahn kann einen Umfangsabschnitt der Abdichtschiene, der axial verbreitert ist, umfassen, wobei sich die axiale Verbreiterung radial zwischen der äußeren Fläche des Spitzendeckbands und der äußeren Kante der Abdichtschiene erstrecken kann.
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Ferner kann die Laufschaufel einen inneren Ausrundungs- oder Übergangsbereich, dazu eingerichtet, zwischen einer Fläche des Schaufelblatts und der inneren Fläche des Spitzendeckbands glatt überzugehen, umfassen, und die Laufschaufel kann einen äußeren Ausrundungs- oder Übergangsbereich, der dazu eingerichtet ist, zwischen der äußeren Fläche des Spitzendeckbands und einer Vorderseite der Abdichtschiene glatt überzugehen, und die äußere Fläche des Spitzendeckbands und eine Rückseite der Abdichtschiene umfassen. Das Spitzendeckband kann umfassen: einen vorderen Teil, der sich von der Abdichtschiene nach vorn erstreckt, um über die Anströmkante des Schaufelblatts überzuhängen, und einen hinteren Teil, der sich von der Abdichtschiene nach hinten erstreckt, um über die Abströmkante des Schaufelblatts überzuhängen; einen Druckteil, der von der Druckseite des Schaufelblatts auskragt und über ihr hängt, und einen Saugteil, der von der Saugseite des Schaufelblatts auskragt und über ihr hängt; und einen Schaufelblattteil, der innerhalb einer Kontur eines Profils des Schaufelblatts definiert ist, das radial durch das Spitzendeckband hindurchragt.
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Noch ferner kann die Abdichtschiene gegenüberliegende Schienenseiten umfassen, in denen eine Vorderseite der Abdichtschiene der Vorwärtsrichtung der Turbine entspricht und eine Rückseite der Abdichtschiene der Rückwärtsrichtung der Turbine entspricht, wobei die Vorderseite und die Rückseite der Abdichtschiene jeweils in einem steilen Winkel relativ zu der äußeren Fläche des Spitzendeckbands angeordnet sein können.
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In einigen Ausführungsformen jeder oben erwähnten Laufschaufel kann die Abdichtschiene ein ungefähr rechtwinkliges Profil umfassen, derart, dass die Vorderseite und die Rückseite der Abdichtschiene entlang schmaler Kanten verbunden sind, die enthalten: gegenüberliegende äußere und innere Kanten, in denen die innere Kante an der Verbindung, die die Abdichtschiene mit der äußeren Fläche des Spitzendeckbands eingeht, definiert ist, und die äußere Kante von der äußeren Fläche des Spitzendeckbands um einer radiale Höhe der Abdichtschiene versetzt ist; und Rotationsvorder- und Rotationshinterkanten, bei denen die Rotationsvorderkante der Rotationshinterkante relativ zu der Rotationsrichtung der Laufschaufel vorauseilt.
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In einer Variante der letztgenannten Ausführungsformen können die Zielflächen mindestens zwei aus Folgenden enthalten: die Druckseite des Schaufelblatts; die Saugseite des Schaufelblatts; die Fläche entsprechend dem inneren Ausrundungsbereich; die Fläche entsprechend dem äußeren Ausrundungsbereich; die innere Fläche des Spitzendeckbands; die Kante des Spitzendeckbands; die Rotationsvorderkante der Abdichtschiene; die Rotationshinterkante der Abdichtschiene; die Vorderseite der Abdichtschiene; und die Rückseite der Abdichtschiene.
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In einer anderen Variante der letztgenannten Ausführungsformen können die Zielinnenbereiche mindestens zwei aus Folgendem enthalten: den äußeren Bereich des Schaufelblatts; den inneren Ausrundungsbereich; den äußeren Ausrundungsbereich; den vorderen Teil des Spitzendeckbands; den hinteren Teil des Spitzendeckbands; den Druckteil des Spitzendeckbands; den Saugteil des Spitzendeckbands; den Schaufelblattteil des Spitzendeckbands; und die Abdichtschiene.
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In einer weiteren Variante der letztgenannten Ausführungsformen können die Zielflächen mindestens zwei aus Folgendem enthalten: die Druckseite des Schaufelblatts; die Saugseite des Schaufelblatts; die Fläche entsprechend dem inneren Ausrundungsbereich; die Fläche entsprechend dem äußeren Ausrundungsbereich; die innere Fläche des Spitzendeckbands; die Kante des Spitzendeckbands; die Rotationsvorderkante der Abdichtschiene; die Rotationshinterkante der Abdichtschiene; die Vorderseite der Abdichtschiene; und die Rückseite der Abdichtschiene; und die Zielinnenbereiche können mindestens zwei aus Folgendem umfassen: den äußeren Bereich des Schaufelblatts; den inneren Ausrundungsbereich; den äußeren Ausrundungsbereich; den vorderen Teil des Spitzendeckbands; den hinteren Teil des Spitzendeckbands; den Druckteil des Spitzendeckbands; den Saugteil des Spitzendeckbands; den Schaufelblattteil des Spitzendeckbands; und die Abdichtschiene.
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In den letztgenannten Ausführungsformen kann das Schneidezahnsegment umfassen: ein Plenum, das vollständig in dem Schneidezahn enthalten ist; eine Position in einem mittleren Umfangsbereich der Abdichtschiene; einen Strömungsquerschnitt, der größer ist als ein Strömungsquerschnitt jedes der davon abzweigenden Verzweigungssegmente; und einen Strömungsquerschnitt, der größer ist als ein Strömungsquerschnitt des damit verbundenen Zufuhrsegmentes. Ferner kann das Zufuhrsegment umfassen: ein stromaufwärtiges Ende, das durch den Fuß der Laufschaufel ausgebildet ist, an dem das Zufuhrsegment mit einer Luftquelle strömungsmäßig verbunden ist, und ein stromabwärtiges Ende, das mit dem Schneidezahnsegment strömungsmäßig verbunden ist; einen radial orientierten linearen Kanal durch das Schaufelblatt. Noch weiter können die Verzweigungssegmente Auslassöffnungen, die mit dem Arbeitsfluid-Strömungsweg strömungsmäßig kommunizieren, umfassen.
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Zusätzlich oder als Alternative dazu können die Strömungsquerschnitte der Verzweigungssegmente gemäß einer gewünschten Abmessung des Kühlmittelstroms durch die Zielinnenbereiche bemessen sein. Ferner kann ein innerer Druckausrundungsbereich den inneren Ausrundungsbereich zwischen der Druckseite des Schaufelblatts und der inneren Fläche des Spitzendeckbands umfassen, ein innerer Saugausrundungsbereich kann den inneren Ausrundungsbereich zwischen der Saugseite des Schaufelblatts und der inneren Fläche des Spitzendeckbands umfassen, ein vorderer äußerer Ausrundungsbereich kann den äußeren Ausrundungsbereich zwischen der Vorderseite der Abdichtschiene und der äußeren Fläche des Spitzendeckbands umfassen, und ein hinterer äußerer Ausrundungsbereich kann den äußeren Ausrundungsbereich zwischen der Rückseite der Abdichtschiene und der äußeren Fläche des Spitzendeckbands umfassen.
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Weiter zusätzlich oder als weitere Alternative dazu kann das äußere Profil des Spitzendeckbands einen gekerbten Abschnitt zu Eingreifen eines Spitzendeckbands einer benachbarten Laufschaufel bei der Installation in einer Reihe gleich konfigurierter Laufschaufeln umfassen, und die Abdichtschiene kann sich über im Wesentlichen eine gesamte Umfangslänge der äußeren Fläche des Spitzendeckbands erstrecken, wobei die Umfangslänge des Spitzendeckbands eine Länge des Spitzendeckbands in Rotationsrichtung umfassen kann.
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Noch weiter zusätzlich oder als noch weitere Alternative dazu kann der Schneidezahn innerhalb des Schaufelblattteils der äußeren Fläche des Spitzendeckbands angeordnet sein, wobei der Schneidezahn ein rechtwinkliges Profil umfassen kann, und wobei der Schneidezahn ein vergrößertes Volumen entsprechend einem Strömungsquerschnitt des Schneidezahnsegments des Kühlkanals umfassen kann.
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Noch weiter zusätzlich oder als noch eine weitere Alternative dazu können in einigen bevorzugten Ausführungsformen die Verzweigungssegmente mehrere Verzweigungssegmente, die sich in Umfangsrichtung derart erstrecken, dass sich mindestens eines in die Rotationsrichtung erstreckt und sich mindestens eines von der Rotationsrichtung weg erstreckt, enthalten.
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In den zuvor erwähnten bevorzugten Ausführungsformen können die mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente jeweils eine innere Schräge umfassen, und die Zielflächen der mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente können die innere Fläche der Plattform umfassen.
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In jeder der letztgenannten bevorzugten Ausführungsformen können die Zielflächen der mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente mit dem inneren Ausrundungsbereich in Beziehung stehende Flächen umfassen.
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Zusätzlich oder alternativ dazu können die Zielflächen der mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente mit sowohl dem inneren Druckausrundungsbereich als auch dem inneren Saugausrundungsbereich in Beziehung stehende Flächen umfassen.
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In jeder der letztgenannten bevorzugten Ausführungsformen können die Zielinnenbereiche der mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente sowohl den inneren Druckausrundungsbereich als auch den inneren Saugausrundungsbereich umfassen.
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In jeder der letztgenannten bevorzugten Ausführungsformen können die Zielflächen der mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente sowohl die Rotationsvorderkante als auch die Rotationshinterkante der Abdichtschiene umfassen.
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In jeder der letztgenannten bevorzugten Ausführungsformen kann mindestens eins der mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente die Auslassöffnung enthalten, die dazu eingerichtet ist, eine oberflächennahe Gabelung zu enthalten, wobei die oberflächennahe Gabelung Zinken, die mit entsprechenden einzelnen der an einer von der Rotationsvorderkante der Abdichtschiene und der Rotationshinterkante der Abdichtschiene ausgebildeten Auslassöffnungen verbunden sind, enthalten kann.
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In jeder der letztgenannten bevorzugten Ausführungsformen kann mindestens eines der mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente die Auslassöffnung enthalten, die dazu eingerichtet ist, eine oberflächennahe Gabelung zu enthalten, wobei die oberflächennahe Gabelung Zinken, die mit entsprechenden einzelnen der auf mindestens zwei der Zielflächen ausgebildeten Auslassöffnungen verbunden sind, enthalten kann.
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Zusätzlich kann ein erster Zinken der oberflächennahen Gabelung mit einem der an der Kante des Spitzendeckbands ausgebildeten Auslässe verbunden sein, und ein zweiter Zinken der oberflächennahen Gabelung kann mit einem der auf der inneren Fläche des Spitzendeckbands ausgebildeten Auslässe verbunden sein.
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In jeder der letztgenannten bevorzugten Ausführungsformen kann ein erster Zinken der oberflächennahen Gabelung mit einem der an einer von der Rotationsvorderkante und der Rotationshinterkante der Abdichtschiene ausgebildeten Auslässe verbunden sein, und ein zweiter Zinken der oberflächennahen Gabelung kann mit einem der an einer von der Vorderseite und der Rückseite der Abdichtschiene ausgebildeten Auslässe verbunden sein.
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In einem anderen Aspekt beschreibt die vorliegende Anmeldung eine Gasturbine, die aufweist: eine Reihe von Laufschaufeln in einer Turbine, wobei die Reihe von Laufschaufeln mehrere Laufschaufeln umfasst, die jeweils enthalten: ein zwischen einer konkaven Druckseite und einer seitlich gegenüberliegenden konvexen Saugseite definiertes Schaufelblatt, wobei sich die Druckseite und die Saugseite axial zwischen gegenüberliegenden Anström- und Abströmkanten und radial zwischen einer äußeren Spitze und einem inneren Ende, das an einem Fuß angebracht ist, der dazu eingerichtet ist, die Laufschaufel an eine Rotorscheibe zu koppeln, erstrecken; ein mit der äußeren Spitze des Schaufelblatts verbundenes Spitzendeckband, wobei das Spitzendeckband eine von einer äußeren Fläche ragende Abdichtschiene und einen auf der Abdichtschiene ausgebildeten Schneidezahn umfasst; und eine Kühlkonfiguration, die einen Kühlkanal zum Aufnehmen und Leiten eines Kühlmittels durch einen Innenraum der Laufschaufel enthält. Der Kühlkanal umfasst strömungsmäßig verbundene Segmente, in denen: sich ein Zufuhrsegment radial durch das Schaufelblatt erstreckt; ein Plenumsegment innerhalb der Abdichtschiene ausgebildet ist; und Verzweigungssegmente innerhalb mindestens eines von dem Spitzendeckband und einem äußeren Bereich des Schaufelblatts ausgebildet sind. Jedes der Verzweigungssegmente erstreckt sich zwischen einer stromaufwärtigen Öffnung, die mit dem Schneidezahnsegment verbunden ist, und einer Auslassöffnung, die auf einer Zielfläche ausgebildet ist, und teilt dazwischen einen Zielinnenbereich entzwei.
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Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden vollständiger verständlich und ersichtlich durch ein sorgfältiges Studium der folgenden ausführlicheren Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbine ist, die Turbinenschaufeln gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthalten kann;
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2 eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts der Gasturbine von 1 ist;
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3 eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts der Gasturbine von 1 ist;
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4 eine Seitenansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel ist, die eine innere Kühlkonfiguration und eine strukturelle Anordnung gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthalten kann;
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5 eine Schnittansicht entlang der Sichtlinie 5-5 der 4 ist;
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6 eine Schnittansicht entlang der Sichtlinie 6-6 der 4 ist;
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7 eine Schnittansicht entlang der Sichtlinie 7-7 der 4 ist;
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8 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel ist, die ein Spitzendeckband und eine Konfiguration gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthalten kann;
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9 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Spitzendeckbands von 8 ist;
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10 eine Außenperspektive einer installierten Anordnung von Turbinenlaufschaufeln ist, die Spitzendeckbänder und Konfigurationen gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthalten können;
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11 eine Außenperspektive eines Spitzendeckbands ist, das eine Konfiguration gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthalten kann;
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12 eine perspektivische Ansicht eines Spitzendeckbands ist, das eine innere Kühlkonfiguration gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthält;
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13 eine Innenansicht des Spitzendeckbands von 12 ist;
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14 eine perspektivische Ansicht eines Spitzendeckbands ist, das eine alternative innere Kühlkonfiguration gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthält;
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15 eine Außenansicht des Spitzendeckbands von 14 ist;
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16 eine perspektivische Ansicht eines Spitzendeckbands, das eine alternative innere Kühlkonfiguration gemäß Aspekten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthält, ist; und
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17 eine andere Ansicht des Spitzendeckbands von 16, das ein vergrößertes Komponentendetail enthält, bereitstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der vorliegenden Anmeldung sind untenstehend in der folgenden Beschreibung dargelegt, oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein, oder können durch die Ausübung der Erfindung erfahren werden. Es wird nun ausführlich auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehr Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Die ausführliche Beschreibung verwendet numerische Bezeichnungen, um auf Merkmale in den Zeichnungen Bezug zu nehmen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung können verwendet werden, um auf gleiche oder ähnliche Teile von Ausführungsformen der Erfindung Bezug zu nehmen. Es versteht sich, dass jedes Beispiel mittels der Erklärung der Erfindung und nicht der Beschränkung der Erfindung bereitgestellt ist. Tatsächlich wird Fachleuten ersichtlich, dass Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von ihrem Umfang oder Geist abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben werden, in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist beabsichtigt, dass derartige Modifikationen und Variationen, die in die vorliegende Erfindung fallen, im Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente enthält sind. Es versteht sich, dass die hier erwähnten Bereiche und Grenzen alle innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen befindlichen Unterbereiche enthalten, einschließlich der Grenzen selbst, soweit nicht anders angegeben. Zusätzlich wurden bestimmte Begriffe ausgewählt, um die vorliegende Erfindung und ihre Komponenten-Untersysteme und Teile zu beschreiben. Soweit irgend möglich wurden diese Begriffe aufgrund der in dem Technologiegebiet üblichen Terminologie ausgewählt. Jedoch versteht es sich, dass diese Begriffe häufig unterschiedlichen Konfigurationen unterliegen. Worauf sich beispielsweise hier als eine einzelne Komponente bezogen wird, kann sich anderswo auf als aus mehreren Komponenten bestehend bezogen sein, oder worauf sich hier als mehrere Komponenten enthaltend bezogen wird, kann anderswo als einzelne Komponente bezeichnet werden. Beim Verständnis des Umfangs der vorliegenden Erfindung sollte nicht nur auf die spezielle verwendete Terminologie Acht gegeben werden, sondern auch auf die beigefügte Beschreibung und den Zusammenhang, sowie die Struktur, Konfiguration, Funktion und/oder Verwendung der darauf bezogenen und beschriebenen Komponente, einschließlich der Weise, in der sich der Begriff auf die verschiedenen Figuren bezieht, sowie selbstverständlich der genauen Verwendung der Terminologie in den beigefügten Ansprüchen. Ferner kann, während die folgenden Beispiele in Bezug auf gewisse Typen von Gasturbinen oder Turbinenantriebe vorgestellt werden, die Technologie der vorliegenden Anmeldung unbegrenzt auch auf andere Kategorien von Turbinenantrieben anwendbar sein, wie von einem Durchschnittsfachmann in den einschlägigen Technologiegebieten verstanden wird. Dementsprechend versteht es sich, dass, soweit nichts anderes angegeben, die hier vorgenommene Verwendung des Begriffs “Gasturbine” breit beabsichtigt ist und mit einer Beschränkung bezüglich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung auf die verschiedenen Typen von Turbinen.
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Angesichts dessen, wie Gasturbinen arbeiten, erweisen sich verschiedene Begriffe besonders nützlich zum Beschreiben bestimmter Aspekte ihrer Funktion. Diese Begriffe und ihre Definitionen, soweit nicht speziell anders angegeben, sind wie folgt. Wie es sich versteht, können derartige Begriffe sowohl beim Beschreiben oder Beanspruchen der Gasturbine oder eins ihrer wichtigsten Untersysteme – d.h., der Verdichter, die Brennkammer oder die Turbine – sowie beim Beschreiben oder Beanspruchen von Komponenten oder Untersystemen zur Nutzung darin. Im letzteren Fall sollte die Terminologie so verstanden werden, dass sie die Komponenten beschreibt wie sie bei ordnungsgemäßer Installation und/oder Funktion innerhalb der Gasturbine oder wichtigsten Untersysteme vorhanden wären.
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Dementsprechend beziehen sich die Begriffe “vorn” und “hinten” auf Richtungen relativ zur Orientierung der Gasturbine und insbesondere die relative Position der Verdichter- und Turbinenabschnitte des Antriebs. Somit bezieht sich der Begriff “vorn” wie hier verwendet, auf das Verdichterende, wohingegen sich “hinten” auf das Turbinenende bezieht. Es versteht sich, dass jeder dieser Begriffe verwendet werden kann, um die Bewegungsrichtung anzuzeigen oder die relative Position entlang der Mittelachse der Turbine. Wie obenstehend angegeben, können diese Begriffe verwendet werden, um Attribute der Gasturbine oder eines ihrer wichtigsten Untersysteme zu beschreiben, sowie für darin positionierte Komponenten oder Unterkomponenten. Somit, wenn beispielsweise eine Komponente wie etwa eine Laufschaufel beschrieben wird oder beansprucht wird als eine “Vorderseite” aufweisend, kann sie verstanden werden als sich auf eine Seite beziehend, die in Vorwärtsrichtung orientiert ist wie durch die Orientierung der Gasturbine definiert (d.h., der Positionierung der Untersysteme Brennkammer und Turbine). Soweit nicht anders angegeben, gilt diese Annahme auch für die folgenden beschreibenden Begriffe.
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Die Begriffe “stromabwärts” und “stromaufwärts” werden hier verwendet, um eine Position innerhalb eines angegebenen Kanals oder Strömungswegs relativ zur sich da hindurch bewegenden Richtung der Strömung (nachfolgend “Strömungsrichtung”) anzuzeigen. Somit bezieht sich der Begriff “stromabwärts” auf die Richtung, in der ein Fluid durch den angegebenen Kanal strömt, während “stromaufwärts” sich auf die dazu entgegengesetzte Richtung bezieht. Diese Begriffe können eingerichtet werden als sich darauf beziehend, was als Strömungsrichtung durch den Kanal bei normalem oder erwartetem Betrieb von einer Fachperson verstanden würde. Es versteht sich, dass das Arbeitsfluid innerhalb der Verdichter- und Turbinenabschnitte der Gasturbine stromabwärts und durch einen ringförmig geformten Arbeitsfluid-Strömungsweg gerichtet ist, der in der Regel um die mittlere und gemeinsame Achse der Gasturbine definiert ist. Als solches bezieht sich der Begriff “Strömungsrichtung” innerhalb der Verdichter- und Turbinenabschnitte des Antriebs wie hier verwendet, auf eine Bezugsrichtung, die eine idealisierte oder verallgemeinerte Richtung der Strömung von Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluid-Strömungsweg des Antriebs unter einem erwarteten oder normalen Betriebszustand darstellt. Somit bezieht sich die “Strömungsrichtungs”-Terminologie innerhalb der Verdichter- und Turbinenabschnitte auf eine Strömung, die parallel zur Mittelachse der Gasturbine verläuft und in der stromabwärtigen oder hinteren Richtung orientiert ist.
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Dementsprechend kann beispielsweise die Strömung von Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluid-Strömungsweg der Gasturbine beschrieben werden als beginnend als im Verdichter komprimierte Luft in Strömungsrichtung, in der Brennkammer zu Verbrennungsgasen werdend, wenn sie mit einem Brennstoff verbrannt wird, und letztendlich in Strömungsrichtung ausgedehnt werdend, wenn sie die Turbine durchlaufen hat. Ähnlich kann die Strömung von Arbeitsfluid beschrieben werden als beginnend an einer vorderen oder stromaufwärtigen Stelle zu einem vorderen oder stromaufwärtigen Ende der Gasturbine, sich im Allgemeinen in einer stromabwärtigen oder hinteren Richtung bewegend, und letztendlich an einer hinteren oder stromabwärtigen Stelle zu einem hinteren oder stromabwärtigen Ende der Gasturbine endend.
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Da viele Komponenten von Gasturbinen wie etwa Verdichter- und Turbinenlaufschaufeln während des Betriebs rotieren, können die Begriffe rotationsmäßig vorn und rotationsmäßig hinten verwendet werden, um die relative Positionierung von Unterkomponenten oder Unterbereichen pro erwarteter Rotation innerhalb des Antriebs abzugrenzen. Somit versteht es sich, dass diese Begriffe pro Richtung der Rotation (nachfolgend “Rotationsrichtung”) die Position innerhalb des Verdichters oder der Turbine unterscheiden können. Wie hier verwendet, kann eine solche Rotationsrichtung verstanden werden als die erwartete Richtung der Rotation für eine Komponente bei normalem oder erwartetem Betrieb der Gasturbine.
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Zusätzlich können, angesichts der Konfiguration von Gasturbinen, insbesondere der Anordnung der Verdichter- und Turbinenabschnitte um eine gemeinsame Welle oder Rotor sowie den vielen Brennkammertypen gemeinsame zylindrische Konfiguration, Begriffe, die eine Position relativ zu einer Achse beschreiben, regulär hier verwendet werden. In dieser Beziehung versteht es sich, dass sich der Begriff “radial” auf eine zu einer Achse senkrechten Bewegung oder Position bezieht. In Verbindung damit kann es erforderlich sein, einen relativen Abstand von der Mittelachse zu beschreiben. In solchen Fällen, beispielsweise wenn sich eine erste Komponente näher an der Mittelachse befindet als eine zweite Komponente, wird die erste Komponente als entweder “radial einwärts” oder “innen” von der zweiten Komponente aus beschrieben. Wenn sich andererseits die erste Komponente ferner von der Mittelachse befindet, wird die erste Komponente als entweder “radial nach außen” oder “außen” von der zweiten Komponente aus beschrieben. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff “axial” auf eine zu einer Achse parallele Bewegung oder Position, während sich der Begriff “in Umfangsrichtung” auf eine Bewegung oder Position um eine Achse herum bezieht. Soweit nicht anders angegeben oder unmittelbar aus dem Kontext ersichtlich, sollten diese Begriffe als sich auf die Mittelachse der Verdichter- und/oder Turbinenabschnitte der Gasturbine wie vom sich durch jeden davon erstreckenden Rotor definiert eingerichtet werden, auch wenn die Begriffe Attribute nicht-integraler Komponenten – wie etwa Rotor- und Statorschaufeln – die darin funktionieren, beschreiben oder beanspruchen. Wenn anders angegeben, können die Begriffe relativ zur Längsachse bestimmter Komponenten oder Untersysteme innerhalb der Gasturbine verwendet werden, wie beispielsweise die Längsachse, um die herum herkömmliche zylindrische oder “Rohr”-Brennkammern in der Regel angeordnet sind.
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Letztendlich ist der Begriff “Laufschaufel” ohne weitere Spezifizität eine Bezugnahme auf die rotierenden Schaufeln entweder des Verdichters oder der Turbine und kann somit sowohl Verdichterlaufschaufeln als auch Turbinenlaufschaufeln enthalten. Der Begriff “Statorschaufel” ohne weitere Spezifizität ist eine Bezugnahme auf die stationären Schaufeln entweder des Verdichters oder der Turbine und kann somit sowohl Verdichterstatorschaufeln als auch Turbinenstatorschaufeln enthalten. Der Begriff “Schaufeln” kann verwendet werden, um allgemein Bezug auf jede Art von Schaufel zu nehmen. Somit schließt der Begriff “Schaufeln” ohne weitere Spezifizität alle Typen von Gasturbinenschaufeln ein, einschließlich Verdichterlaufschaufeln, Verdichterstatorschaufeln, Turbinenlaufschaufeln, Turbinenstatorschaufeln und dergleichen.
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Als Hintergrund, und nun speziell auf die Figuren Bezug nehmend, stellen 1 bis 3 eine beispielhafte Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung dar, oder innerhalb welcher die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Fachleuten ist verständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art der Verwendung begrenzt werden kann. Wie angegeben, kann die vorliegende Erfindung in Gasturbinen wie etwa den bei der Energieerzeugung und in Flugzeugen verwendeten Triebwerken, Dampfturbinen sowie anderen Arten von Rotationsmaschinen verwendet werden, wie von einem Fachmann verstanden würde. Es ist somit nicht beabsichtigt, dass die bereitgestellten Beispiele beschränkend sind, soweit nicht anders angegeben. 1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine 10. Im Allgemeinen arbeiten Gasturbinen, indem sie Energie aus einem unter Druck stehenden Strom heißen Gases extrahieren, das durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft entsteht. Wie in 1 dargestellt, kann die Gasturbine 10 mit einem Axialverdichter 11 eingerichtet sein, der mechanisch durch eine gemeinsame Welle oder einen gemeinsamen Rotor an einen stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder eine Turbine 12 gekoppelt ist, und einer Brennkammer 13, der zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 12 angeordnet ist. Wie in 1 dargestellt, kann die Gasturbine um eine gemeinsame Mittelachse 19 ausgebildet sein.
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2 stellt eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 11 dar, der in der Gasturbine von 1 verwendet werden kann. Wie gezeigt, kann der Verdichter 11 mehrere Stufen aufweisen, von denen jede eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 und eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln 15 enthält. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14, die um eine mittlere Welle rotieren, gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln 15, die während des Betriebs stationär bleiben, enthalten. 3 stellt eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer Turbine 12, der bzw. die in der Gasturbine von 1 verwendet werden kann, dar. Die Turbine 12 kann auch mehrere Stufen enthalten. Drei beispielhafte Stufen sind dargestellt, doch es können mehr oder weniger vorhanden sein. Jede Stufe kann mehrere Turbinenleitschaufeln oder Statorschaufeln 17, die während des Betriebs stationär bleiben, gefolgt von mehreren Turbinenschaufeln oder Laufschaufeln 16, die während des Betriebs um die Welle rotieren, enthalten. Die Turbinenstatorschaufeln 17 sind im Allgemeinen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Rotationsachse herum an einem äußeren Gehäuse befestigt. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können an einem Turbinenlaufrad oder einer Rotorscheibe (nicht gezeigt) zur Rotation um eine Mittelachse montiert sein. Es versteht sich, dass die Turbinenstatorschaufeln 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 in dem Heißgaspfad oder dem Arbeitsfluid-Strömungsweg durch die Turbine 12 liegen. Die Richtung des Stroms der Verbrennungsgase oder des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitsfluid-Strömungswegs ist durch den Pfeil angezeigt.
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In einem Betriebsbeispiel für die Gasturbine 10 kann die Rotation der Verdichterlaufschaufeln 14 innerhalb des Axialverdichters 11 einen Luftstrom verdichten. In der Brennkammer 13 kann Energie freigesetzt werden, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff gemischt und entzündet wird. Der sich ergebende Strom heißer Gase oder von Arbeitsfluid aus der Brennkammer 13 wird dann über die Turbinenlaufschaufeln 16 geleitet, wodurch die Rotation der Turbinenlaufschaufeln 16 um die Welle herbeigeführt wird. Auf diese Weise wird die Energie des Stroms von Arbeitsfluid in die mechanische Energie der rotierenden Schaufeln und angesichts der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle der rotierenden Welle umgewandelt. Die mechanische Energie der Welle kann dann verwendet werden, um die Rotation der Verdichterlaufschaufeln 14, so dass die notwendige Zufuhr an verdichteter Luft erzeugt wird, und beispielsweise auch einen Generator, um Strom zu erzeugen, anzutreiben.
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Als Hintergrund stellen die 4 bis 7 Ansichten einer Turbinenlaufschaufel 16 bereit, gemäß der oder innerhalb derer Aspekte der vorliegenden Erfindung ausgeübt werden können. Wie es sich versteht, sind diese Figuren bereitgestellt, um allgemeine Konfigurationen von Laufschaufeln darzustellen und räumliche Beziehungen zwischen Komponenten und Bereichen innerhalb solcher Schaufeln zum späteren Nachschlagen abzugrenzen, während sie auch geometrische Beschränkungen und andere Kriterien, die die innere und äußere Konstruktion davon betreffen, beschreiben. Während die Schaufel dieses Beispiels eine Laufschaufel ist, versteht es sich, dass, soweit nicht anders angegeben, die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Schaufeln innerhalb der Gasturbine angewendet werden kann. Wie obenstehend angegeben, kann die Beschreibung solcher Komponenten Terminologie enthalten, die ihre Bedeutung aufgrund der Orientierung und der Funktion der Gasturbine und insbesondere des Arbeitsfluidströmungswegs ableitet, und somit in diesem Zusammenhang verstanden werden sollte, d.h., dass eine solche Beschreibung annimmt, dass die Laufschaufel ordnungsgemäß installiert ist und unter erwarteten oder normalen Bedingungen innerhalb des Antriebs arbeitet.
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Die Laufschaufel 16, wie dargestellt, kann einen Fuß 21 enthalten, der zur Befestigung an einer Rotorscheibe eingerichtet ist. Der Fuß 21 kann beispielsweise einen Schwalbenschwanz 22 enthalten, der zum Montieren in einer entsprechenden Schwalbenschwanznut im Umfang einer Rotorscheibe eingerichtet ist. Der Fuß 21 kann ferner einen Schaft 23 enthalten, der sich zwischen dem Schwalbenschwanz 22 und einer Plattform 24 erstreckt. Die Plattform 24 bildet, wie gezeigt, im Allgemeinen den Anschlusspunkt zwischen dem Fuß 21 und einem Schaufelblatt 25, welches die aktive Komponente der Laufschaufel 16 ist, die den Strom von Arbeitsfluid durch die Turbine 12 unterbricht und die gewünschte Rotation herbeiführt. Die Plattform 24 kann das innere Ende des Schaufelblatts 25 definieren. Die Plattform kann auch einen Abschnitt der inneren Begrenzung des Arbeitsfluid-Strömungswegs durch die Turbine 12 definieren.
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Das Schaufelblatt 25 der Laufschaufel kann in der Regel eine konkave Druckseite 26 und eine in Umfangsrichtung oder seitlich gegenüberliegende konvexe Saugseite 27 enthalten. Die Druckseite 26 und die Saugseite 27 können sich jeweils axial zwischen gegenüberliegenden Anström- und Abströmkanten 28, 29 und in radialer Richtung zwischen einem inneren Ende, das am Anschluss mit der Plattform 24 definiert werden kann, und einer äußeren Spitze 31 erstrecken. Das Schaufelblatt 25 kann eine gekrümmte oder konturierte Form enthalten, die konstruiert ist zur Förderung einer gewünschten aerodynamischen Leistung. Wie in den 4 und 5 dargestellt, kann sich die Form des Schaufelblatts 25 mit dem Erstrecken zwischen der Plattform 24 und der äußeren Spitze 31 allmählich verjüngen. Das Verjüngen kann ein axiales Verjüngen enthalten, das den Abstand zwischen der Anströmkante 28 und der Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25 verengt, wie in 4 dargestellt, sowie ein Verjüngen in Umfangsrichtung, das die Dicke des Schaufelblatts 25, wie sie zwischen der Saugseite 26 und der Druckseite 27 definiert ist, reduziert, wie in 5 dargestellt. Wie in den 6 und 7 gezeigt, kann die konturierte Form des Schaufelblatts 25 ferner eine Windung um die Längsachse des Schaufelblatts 25 beim Erstrecken von der Plattform 24 enthalten. Es versteht sich, dass die Windung enthalten sein kann, um einen Staffelungswinkel für das Schaufelblatt 25 zwischen dem inneren Ende und der äußeren Spitze 31 allmählich zu variieren.
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Zu beschreibenden Zwecken kann das Schaufelblatt 25 der Laufschaufel 16, wie in 4 gezeigt, ferner beschrieben werden als einen oder einen halben Anströmkantenabschnitt und einen oder einen halben Abströmkantenabschnitt enthaltend, die auf jeder Seite einer axialen Mittellinie 32 definiert sind. Die axiale Mittellinie 32 kann gemäß ihrer Verwendung hier durch Verbinden der Mittelpunkte 34 der Skelettlinien 35 des Schaufelblatts 25 zwischen der Plattform 24 und der äußeren Spitze 31 ausgebildet sein. Zusätzlich kann das Schaufelblatt 25 beschrieben werden als zwei radial gestapelte Abschnitte enthaltend, die innen und außen von einer radialen Mittellinie 33 des Schaufelblatts 25 definiert sind. Somit erstreckt sich, wie hier verwendet, ein oder ein halber innerer Abschnitt des Schaufelblatts 25 zwischen der Plattform 24 und der radialen Mittellinie 33, während sich ein oder ein halber äußerer Abschnitt zwischen der radialen Mittellinie 33 und der äußeren Spitze 31 erstreckt. Letztendlich kann das Schaufelblatt 25 beschrieben werden als einen oder einen halben Druckseitenabschnitt und einen oder einen halben Saugseitenabschnitt enthaltend, die, wie es sich versteht, auf jeder Seite der Skelettlinie 35 des Schaufelblatts 25 und der entsprechenden Seite 26, 27 des Schaufelblatts 25 definiert sind.
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Die Laufschaufel 16 kann ferner eine innere Kühlkonfiguration 36 enthalten, die einen oder mehrere Kühlkanäle 37 aufweist, durch die während des Betriebs ein Kühlmittel umgewälzt wird. Solche Kühlkanäle 37 können sich radial nach außen von einer Verbindung zu einer durch den Fuß 21 der Laufschaufel 16 ausgebildeten Zufuhrquelle erstrecken. Die Kühlkanäle 37 können linear, gekrümmt oder eine Kombination daraus sein und können einen oder mehrere Auslass- oder Oberflächenöffnungen enthalten, durch welche Kühlmittel aus der Laufschaufel 16 heraus und in den Arbeitsfluidströmungsweg hinein ausgegeben wird.
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Die 8 bis 11 stellen eine Turbinenlaufschaufel 16 dar, die ein Spitzendeckband 41 gemäß der vorliegenden Erfindung oder innerhalb dessen die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, aufweist. Wie es sich versteht, ist 8 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel 16, die ein Spitzendeckband 41 enthält, während 9 eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts des Spitzendeckbands 41 ist. 10 stellt ein Profil aus einer Außenperspektive einer beispielhaften installierten Anordnung von Laufschaufeln 16 mit Spitzendeckband dar. Schließlich stellt 11 eine vergrößerte Außenprofilansicht eines Spitzendeckbands 41 bereit, die verwendet werden kann, um die verschiedenen Bereiche innerhalb von Spitzendeckbändern in der folgenden Erörterung abzugrenzen.
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Wie gezeigt, kann das Spitzendeckband 41 nahe oder an dem äußeren Ende des Schaufelblatts 25 angeordnet sein. Das Spitzendeckband 41 kann eine sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende flache Platte oder ebene Komponente enthalten, die zu ihrer Mitte hin durch das Schaufelblatt 25 gehalten wird. Zu beschreibenden Zwecken kann das Spitzendeckband 41 eine innere Fläche 45, eine äußere Fläche 44 und eine Kante 46 enthalten. Wie dargestellt, liegt die innere Fläche 45 der äußeren Fläche 44 über die enge radiale Dicke des Spitzendeckbands 41 hinweg gegenüber, während die Kante 46 die innere Fläche 45 mit der äußeren Fläche 44 verbindet und, wie hier verwendet, ein peripheres oder äußeres Profil des Spitzendeckbands 41 definiert.
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Eine Abdichtschiene 42 kann entlang der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 angeordnet sein. Im Allgemeinen ist die Abdichtschiene 42, wie abgebildet, ein flossenartiger Vorsprung, der sich radial nach außen von der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 erstreckt. Die Abdichtschiene 42 kann sich in Umfangsrichtung zwischen gegenüberliegenden Enden des Spitzendeckbands 41 in der Richtung der Rotation oder “Rotationsrichtung” der Laufschaufel 16 erstrecken. Wie es sich versteht, kann die Abdichtschiene 42 verwendet werden, um eine Leckage von Arbeitsfluid durch die radiale Lücke, die in der Regel zwischen dem Spitzendeckband 41 und den umgebenden stationären Komponenten vorhanden ist, die die äußere Grenze des Arbeitsfluid-Strömungswegs durch die Turbine definieren, zu verhindern. Gemäß herkömmlichen Konstruktionen kann sich die Abdichtschiene 42 radial in einer abreibbaren stationären wabenförmigen Dichtung, die ihr über diese Lücke hinweg gegenüberliegt, erstrecken. Die Abdichtschiene 42 kann sich im Wesentlichen über die gesamte Umfangslänge der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 hinweg erstrecken. Wie hier verwendet, ist die Länge des Spitzendeckbands 41 die Länge des Spitzendeckbands 41 in der Rotationsrichtung 50. Zu beschreibenden Zwecken kann die Abdichtschiene 42 gegenüberliegende Schienenseiten enthalten, bei denen eine Vorderseite 56 der Vorwärtsrichtung der Gasturbine entspricht und eine Rückseite 57 der Rückwärtsrichtung entspricht. Es versteht sich, dass die Vorderseite 56 somit zu der oder in die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids zeigt, während die Rückseite 57 davon weg zeigt. Jeweils die Vorderseite 56 und Rückseite 57 der Abdichtschiene 42 können angeordnet sein, um einen steilen Winkel relativ zu der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 auszubilden.
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Obwohl andere Konfigurationen möglich sind, kann die Abdichtschiene 42 ein nahezu rechteckiges Profil aufweisen. Die Vorderseite 56 und die Rückseite 57 der Abdichtschiene 42 können sich entlang in Umfangsrichtung schmaler Kanten verbinden, die, wie hier verwendet, enthalten: gegenüberliegende und nahezu parallele äußere und innere Kanten, und gegenüberliegende und nahezu parallele Rotationsvorder- und Rotationshinterkanten. Insbesondere kann die innere Kante der Abdichtschiene 42 an der Verbindungsstelle zwischen der Abdichtschiene 42 und der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 definiert werden. Wie es sich versteht, ist die innere Kante etwas verdeckt aufgrund der Ausrundungsbereiche, die zu strukturellen Zwecken zwischen der Abdichtschiene 42 und dem Spitzendeckband 41 ausgebildet sind, und ist somit nicht spezifisch durch eine numerische Kennung bezeichnet. Die äußere Kante 59 der Abdichtschiene 42 ist zu der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 radial versetzt. Wie es sich versteht, stellt diese radiale Versetzung im Allgemeinen die radiale Höhe der Abdichtschiene 42 dar. Wie angezeigt, ragt eine Rotationsvorderkante 62 der Abdichtschiene 42 radial von der Kante 46 des Spitzendeckbands 41 vor, die über die Saugseite 27 des Schaufelblatts 25 hängt. Aus diesem Grund ist die Rotationsvorderkante 62 die Komponente, die der Abdichtschiene 42 “vorauseilt”, wenn die Laufschaufel 16 während des Betriebs rotiert. Am entgegengesetzten Ende der Abdichtschiene 42 ragt eine Rotationshinterkante 63 radial von der Kante 46 des Spitzendeckbands 41 vor, die über die Druckseite 26 des Schaufelblatts 25 hängt. Angesichts dieser Anordnung ist die Rotationshinterkante 63 die Komponente, die der Abdichtschiene 42 “nachläuft”, wenn die Laufschaufel 16 während des Betriebs rotiert.
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Ein Schneidezahn 43 kann an der Abdichtschiene 42 angeordnet sein. Wie es sich versteht, kann der Schneidezahn 43 zum Schneiden einer Rille in der abreibbaren Beschichtung oder der Wabenstruktur des stationären Deckbands, das etwas breiter ist als die Breite der Abdichtschiene 42, bereitgestellt sein. Wie es sich versteht, kann der Wabenkörper bereitgestellt sein, um die Dichtungsstabilität zu verbessern, und die Verwendung des Schneidezahns 43 kann ein Überlaufen und Reiben zwischen stationären und rotierenden Teilen durch Ausräumen dieses breiteren Wegs reduzieren. Der Schneidezahn 43 liegt im Allgemeinen in einem Gebiet vergrößerter Breite entlang der Umfangslänge der Abdichtschiene 42. Insbesondere kann der Schneidezahn 43 einen Umfangsabschnitt der Abdichtschiene 42, der axial verbreitert ist, enthalten. Dieser axial verbreiterte Bereich kann sich zwischen der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 und der äußeren Kante der Abdichtschiene radial 42 erstrecken. Der Schneidezahn 43 kann in der Nähe der Mitte oder des mittleren Bereichs der Abdichtschiene 42 angeordnet sein. Wie unten angegeben, kann der Schneidezahn 43 innerhalb des Schaufelblattteils der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 angeordnet sein. Der Schneidezahn 43 kann ein nahezu rechteckiges Profil aufweisen, obwohl andere Profile auch möglich sind.
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Das Spitzendeckband 41 kann Ausrundungsbereiche 48, 49 enthalten, die dazu eingerichtet sind, glatte Flächenübergänge zwischen den divergierenden Flächen des Spitzendeckbands 41 und des Schaufelblatts 25 sowie denen zwischen dem Spitzendeckband 41 und der Abdichtschiene 42 bereitzustellen. An sich können Konfigurationen des Spitzendeckbands 41 einen äußeren Ausrundungsbereich 48, der zwischen der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 und der Vorderseite 56 und der Rückseite 57 der Abdichtschiene 42 ausgebildet ist, enthalten. Das Spitzendeckband 41 kann ferner einen inneren Ausrundungsbereich 49, der zwischen der inneren Fläche 45 des Spitzendeckbands 41 und der Druck- und Saugseite 26, 27 des Schaufelblatts 25 ausgebildet ist, enthalten. Wie es sich versteht, kann der innere Ausrundungsbereich 49 insbesondere beschrieben werden als enthaltend: einen inneren Druckausrundungsbereich, welcher der zwischen der Druckseite 26 des Schaufelblatts 25 und der inneren Fläche 45 des Spitzendeckbands 41 ausgebildete Abschnitt ist; und einen inneren Saugausrundungsbereich, welcher der zwischen der Saugseite 26 des Schaufelblatts 25 und der inneren Fläche 45 des Spitzendeckbands 41 ausgebildete Abschnitt ist. Der äußere Ausrundungsbereich 48 kann insbesondere beschrieben werden als enthaltend: einen vorderen äußeren Ausrundungsbereich, welcher der zwischen der Vorderseite 56 der Abdichtschiene 42 und der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 ausgebildete Abschnitt ist; und einen hinteren äußeren Ausrundungsbereich, welcher der zwischen der Rückseite 57 der Abdichtschiene 42 und der äußeren Fläche 44 des Spitzendeckbands 41 ausgebildete Abschnitt ist. Wie dargestellt, kann jeder dieser Ausrundungsbereiche 49, 48 dazu eingerichtet sein, sich glatt krümmende Übergänge zwischen den verschiedenen ebenen Flächen bereitzustellen, die abrupte oder steile Winkelübergänge bilden. Wie es sich versteht, können derartige Ausrundungsbereiche die aerodynamische Leistung erhöhen und Beanspruchungskonzentrationen verteilen, die anderenfalls in diesen Flächen auftreten würden. Sogar damit bleiben diese Flächen aufgrund der überhängenden oder freitragenden Last des Spitzendeckbands 41 und der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine hochbeansprucht. Wie es sich versteht, stellen diese Beanspruchungen in diesen Flächen ohne angemessene Kühlung eine wesentliche Begrenzung der Nutzungsdauer der Komponente dar.
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Indem nun insbesondere auf 10 Bezug genommen wird, können Spitzendeckbänder 41 dazu eingerichtet sein, eine Kontaktverbindungsstelle zu enthalten, in der Kontaktflächen oder -kanten in gleiche Flächen oder Kanten, die auf den Spitzendeckbändern 41 benachbarter Laufschaufeln ausgebildet sind, während des Betriebs eingreifen. Wie erkannt wird, kann dies beispielsweise vorgenommen werden, um Leckage oder schädliche Schwingungen zu reduzieren. 10 stellt eine Außenansicht der Spitzendeckbänder 41 an Turbinenlaufschaufeln bereit, wie sie in einem montierten Zustand auftreten könnten. Wie angezeigt, kann zu beschreibenden Zwecken die Kante 46 des Spitzendeckbands 41 relativ zur Rotationsrichtung 50 eine rotationsmäßig vordere Kontaktkante 52 und eine rotationsmäßig hintere Kontaktkante 53 enthalten. Somit kann, wie gezeigt, das Spitzendeckband 41 in einer Rotationsführungsposition mit einer rotationsmäßig hinteren Kontaktkante 53 eingerichtet werden, die mit der rotationsmäßig vorderen Kontaktkante 52 des Spitzendeckbands 41 in Kontakt kommt oder in enger Nähe zu ihr in einer rotationsmäßig hinteren Position relativ zu ihr gerät. Während dieser Kontaktbereich zwischen den benachbarten Spitzendeckbändern 41 allgemein als eine Kontaktverbindungsstelle bezeichnet werden kann, kann sie angesichts des Profils der beispielhaften Konfiguration auch als eine “Z-Kerben”-Verbindungsstelle bezeichnet werden. Andere Konfigurationen sind auch möglich. Beim Ausbilden der Kontaktverbindungsstelle kann die Kante 46 des Spitzendeckbands 41 mit einem gekerbten Abschnitt eingerichtet sein, der zusammenwirkend ein benachbartes und gleich eingerichtetes Spitzendeckband 41 in einer vorbestimmten Weise kontaktieren oder darin eingreifen soll.
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Indem nun insbesondere auf 11 Bezug genommen wird, kann das äußere Profil des Spitzendeckbands 41 eine Bogenform aufweisen. Obwohl andere Konfigurationen möglich sind, ist die beispielhafte Bogenform diejenige, die bezüglich des Reduzierens von Leckage eine gute Leistung erbringt, während sie auch das Gewicht minimiert. Was auch immer das Profil ist, versteht es sich, dass die Bereiche oder Teile, die das Spitzendeckband 41 ausmachen, angesichts ihrer Anordnung relativ zur Abdichtschiene 42 und/oder dem Profil des darunter liegenden Schaufelblatts 25 beschrieben werden. Somit ist, wie hier verwendet, ein Schaufelblattteil 65 des Spitzendeckbands 41 der innerhalb eines Profils des Schaufelblatts 25 definierter Teil, der radial durch das Spitzendeckband 41 ragt. Ein Druckteil 66 des Spitzendeckbands 41 ist der Teil, der von der Druckseite 26 des Schaufelblatts 25 auskragt und über ihr hängt, während ein Saugteil 67 des Spitzendeckbands 41 der Teil ist, der von der Saugseite 27 des Schaufelblatts 25 auskragt und über ihr hängt. Letztendlich ist ein vorderer Teil 68 des Spitzendeckbands 41 der Teil, der sich in einer Vorwärtsrichtung von der Abdichtschiene 42 erstreckt, um über der Anströmkante 28 des Schaufelblatts 25 überzuhängen, während ein hinterer Teil 69 des Spitzendeckbands 41 der Teil ist, der sich in einer Rückwärtsrichtung von der Abdichtschiene 42 erstreckt, um über der Abströmkante 29 des Schaufelblatts 25 überzuhängen.
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Indem nun insbesondere auf die 12 bis 17 Bezug genommen wird, werden einige inneren Kühlkonfigurationen vorgestellt, die im Einklang mit Aspekten und beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stehen. Wie es sich versteht, werden diese Beispiele Bezug nehmend auf und im Lichte der Systeme und verwandten Konzepte beschrieben, die bereits hier bereitgestellt sind, insbesondere derjenigen, die bezüglich der vorhergehenden Figuren erörtert worden sind.
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Die vorliegende Erfindung kann eine innere Kühlkonfiguration innerhalb der Schaufelblätter und Spitzendeckbänder von Gasturbinenlaufschaufeln enthalten. Derartige Kühlkonfigurationen können innere Kühlkanäle zum Aufnehmen und Leiten eines Kühlmittels durch den Innenraum der Laufschaufel enthalten. Gemäß derartigen Kühlkonfigurationen können die Kühlkanäle der vorliegenden Erfindung strömungsmäßig verbundene Abschnitte oder Segmente enthalten, die enthalten können: ein Zufuhrsegment 72, das sich radial durch das Schaufelblatt 25 erstreckt; ein Plenumsegment oder Schneidezahnsegment 73, das innerhalb der Abdichtschiene 42 ausgebildet ist, oder insbesondere der Schneidezahn 43 der Abdichtschiene 42; und Verzweigungssegmente 74, die sich von dem Schneidezahnsegment 73 aus erstrecken. Wie erörtert wird, können die Verzweigungssegmente 74 innerhalb des Spitzendeckbands 41, der Abdichtschiene 42 und allgemeiner an einem äußeren Bereich des Schaufelblatts 25 ausgebildet werden (d.h., dem Abschnitt des Schaufelblatts 25 nahe oder anliegend an dem Spitzendeckband 41). Wie dargestellt, können sich die Verzweigungssegmente 74 zwischen einer stromaufwärtigen Öffnung, die mit dem Schneidezahnsegment 73 verbunden ist, und einer stromabwärtigen Öffnung erstrecken, die, weil sie an einer Zielfläche an einer Außenfläche der Laufschaufel 16 ausgebildet ist, hier als eine Auslassöffnung 75 bezeichnet wird. Ferner können die Verzweigungssegmente 74, wie noch erörtert wird, dazu eingerichtet sein, sich durch einen Innenbereich der Laufschaufel 16 zu erstrecken oder ihn entzwei zu teilen.
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Gemäß den vorliegenden Konfigurationen kann das Zufuhrsegment 72, wie dargestellt, ein stromaufwärtiges Ende enthalten, das durch den Fuß 21 der Laufschaufel 16 ausgebildet ist und das das Zufuhrsegment 72 mit einer Kühlmittelquelle verbinden kann. An einem stromabwärtigen Ende kann das Zufuhrsegment 72 strömungsmäßig mit dem Schneidezahnsegment 73 verbunden sein. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann das Zufuhrsegment 72 als ein radial orientierter linearer Kanal durch das Schaufelblatt 25 eingerichtet sein.
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Das Plenumsegment oder Schneidezahnsegment 73 kann als ein Verteiler oder Plenum eingerichtet sein, durch den die Zufuhr an Luft, die dorthin geführt wird, an die verschiedenen Verzweigungssegmente 74 verteilt wird. Dementsprechend kann ein Strömungsquerschnitt des Schneidezahnsegments 73 größer sein als der Strömungsquerschnitt jedes der davon abzweigenden Verzweigungssegmente 74. Gemäß beispielhaften Anordnungen kann der Strömungsquerschnitt des Schneidezahnsegments 73 auch größer sein als ein Strömungsquerschnitt des damit verbundenen Zufuhrsegments 72. Das Schneidezahnsegment 73 kann vollständig in dem Schneidezahn 43 enthalten sein. Alternativ dazu kann sich das Schneidezahnsegment 73 im Wesentlichen mit einem inneren Bereich überlappen, der innerhalb des Schneidezahns 43 definiert ist. In weiteren Ausführungsformen ist das Schneidezahnsegment 73 innerhalb der Abdichtschiene 42 und/oder des Spitzendeckbandes 41 ausgebildet.
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Die Verzweigungssegmente 74 können sich von dem Schneidezahnsegment 73 entlang verschiedener Wege erstrecken, um die Zielflächen und Innenbereiche gemäß einer gewünschten Kühlstrategie für das Schaufelblatt 25 und/oder das Spitzendeckband 41 zu schneiden. Wie es sich versteht, können die Strömungsquerschnitte der Verzweigungssegmente 74 gemäß der gewünschten Abmessung des Kühlmittelstroms zu den Zielflächen und durch die Zielinnenbereiche bemessen werden. Die Verzweigungssegmente 74 können mit den Auslassöffnungen 75 verbunden sein, was, weil die Auslassöffnungen 75 an einer äußeren Fläche der Laufschaufel 16 ausgebildet sind, zur Folge hat, dass die Kühlkonfiguration 36 der vorliegenden Erfindung strömungsmäßig mit dem Arbeitsfluid-Strömungsweg durch die Turbine 12 kommuniziert.
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Die Auslassöffnungen 75 der Verzweigungssegmente 74 können an vorbestimmten Zielflächen ausgebildet sein. Diese Zielflächen können im Allgemeinen einige der Flächen des Schaufelblatts 25 und/oder des Spitzendeckbands 41, die bereits hier erörtert wurden, enthalten. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen können die Zielflächen für die Kühlkonfiguration 36 eine oder mehrere der Folgenden enthalten: die Druckseite 26 des Schaufelblatts 25; die Saugseite 27 des Schaufelblatts 25; die Fläche, die dem inneren Ausrundungsbereich 49 entspricht; die Fläche, die dem äußeren Ausrundungsbereich 48 entspricht; die innere Fläche 45 des Spitzendeckbands 41; die Kante 46 des Spitzendeckbands 41; die Rotationsvorderkante 62 der Abdichtschiene 42; die Rotationshinterkante 63 der Abdichtschiene 42; die Vorderseite 56 der Abdichtschiene 42; und die Rückseite 57 der Abdichtschiene 42. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Zielinnenbereiche für die vorliegenden Kühlkonfigurationen 36 eins oder mehrere der Folgenden enthalten: den äußeren Bereich des Schaufelblatts 25 nahe oder anliegend an dem Spitzendeckband 4l; den inneren Ausrundungsbereich 49; den äußeren Ausrundungsbereich 48; den vorderen Teil 68 des Spitzendeckbands 41; den hinteren Teil 69 des Spitzendeckbands 41; den Druckteil 66 des Spitzendeckbands 41; den Saugteil 67 des Spitzendeckbands 41; den Schaufelblattteil 65 des Spitzendeckbands 41; und die Abdichtschiene 42.
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Gemäß bestimmten bevorzugten Ausführungsformen enthalten die Kühlkonfigurationen 36 der vorliegenden Erfindung Verzweigungssegmente 74, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, so dass sie sich durch die Abdichtschiene 42 von einem innerhalb der Abdichtschiene 42 (d.h., dem Schneidezahnsegment 73) ausgebildeten Kühlmittelplenum erstrecken. Angesichts dieser Konfiguration kühlt das in dieser Weise ausgegebene Kühlmittel Flächen und Bereiche innerhalb des Spitzendeckbands 41 und/oder des Schaufelblatts 25, die besonders schwierig zu kühlen sind, aber dies stark benötigen. Diese Bereiche können die Kontaktkanten enthalten, die die Kontaktverbindungsstelle zwischen benachbarten Spitzendeckbändern 41 sowie die Kanten der Abdichtschiene 42 ausbilden. Somit können sich im Allgemeinen die Verzweigungssegmente 74 durch den Innenraum der Abdichtschiene 42 zu den rotationsmäßig vorderen Teilen und/oder den rotationsmäßig hinteren Teilen des Spitzendeckbands 41 und/oder äußeren Bereichen des Schaufelblatts 25 erstrecken. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen können sich die Verzweigungskanäle 74, wie dargestellt, von dem Kühlmittelplenum oder Schneidezahnsegment 73 zu an der Rotationsvorderkante 62 und/oder der Rotationshinterkante 63 der Abdichtschiene 42 ausgebildeten Auslassöffnungen 75 erstrecken. Gemäß anderen Ausführungsformen können diese Verzweigungskanäle 74 innen gewinkelt sein, um mit Auslassöffnungen 75, die auf den Rotationsvorder- oder Rotationshinterkanten 46 des Spitzendeckbands 41 ausgebildet sind, verbunden zu sein, die die Rotationsvorder- und -hinterkontaktkanten 52, 53, die die Kontaktverbindungsstelle ausmachen, enthalten können. Derartige innere schräge Verzweigungssegmente 41 können eingerichtet sein, um sich weiter nach innen zu erstrecken, so dass Auslassöffnungen 75 durch die innere Fläche 45 des Spitzendeckbands 41, den inneren Ausrundungsbereich 49 und/oder die äußeren Flächen des Schaufelblatts 25 hindurch ausgebildet werden. Dementsprechend können gemäß bestimmten bevorzugten Ausführungsformen die Verzweigungssegmente 74, die nach innen gewinkelt sind, dazu eingerichtet sein, sich durch den inneren Ausrundungsbereich 49 zu erstrecken, der den inneren Druckausrundungsbereich, den inneren Saugausrundungsbereich oder beide enthalten kann. In derartigen Fällen können die Auslassöffnungen 75 an der Druckseite 26 und/oder der Saugseite 27 des Schaufelblatts 25 angeordnet sein.
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Wie in den 12 und 13 dargestellt, können die Verzweigungssegmente 74 mehrere einzelne enthalten, die sich in Umfangsrichtung derart erstrecken, dass sich mindestens eines der Verzweigungssegmente 74 durch die Abdichtschiene 42 in Rotationsrichtung und sich mindestens eines durch die Abdichtschiene 42 von der Rotationsrichtung weg erstreckt. Wie es sich versteht, können die derart orientierten Verzweigungssegmente 74 parallel zu der Längsachse der Abdichtschiene 42 verlaufen. Wie gezeigt, können die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente 74 in die innere Richtung gewinkelt oder geneigt sein. Die Zielflächen der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente 74 können die innere Fläche 45 des Spitzendeckbands 41 enthalten. Alternativ dazu können die Zielflächen der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente 74 die Flächen, die zum inneren Ausrundungsbereich 49 in Beziehung stehen, enthalten, die den inneren druckseitigen Ausrundungsbereich, den inneren saugseitigen Ausrundungsbereich oder beide enthalten können. Wie in den 13 bis 15 dargestellt, können die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verzweigungssegmente 74 sich zu Auslassöffnungen 75 erstrecken, die auf Zielflächen ausgebildet sind, die eine oder beide von der Rotationsvorderkante 62 und der Rotationshinterkante 63 der Abdichtschiene 42 enthalten. Auf der Vorder- und der Rückseite 56, 57 ausgebildete Auslassöffnungen 75 sind auch möglich.
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Gemäß alternativen Ausführungsformen, wie in den 16 und 17 dargestellt, können die Verzweigungssegmente 74 eine Auslassöffnung 75 aufweisen, die als eine oberflächennahe Gabelung 76 eingerichtet ist. Wie hier verwendet, enthält eine oberflächennahe Gabelung 76 eine Teilung oder Gabelung eines Verzweigungssegmentes 74 eines Kühlmittelkanals unmittelbar vor Erreichen der äußeren Fläche der Laufschaufel. Die oberflächennahe Gabelung 76 kann sich in zwei oder mehrere der Kühlmittelkanäle teilen. Jeder dieser Kanäle, die hier als Zinken 77 bezeichnet werden, kann sich von der Teilung zu getrennten und eigenständigen Auslassöffnungen 75 erstrecken, die eingesetzt werden können, um sich mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkanals auf eine größere Fläche und den Innenbereich auszuwirken als anderenfalls möglich wäre, falls der Kanal nur eine einzige Auslassöffnung 75 hätte. Auf diese Weise kann das sich durch die Verzweigungssegmente 74 bewegende Kühlmittel über und durch eine größere Fläche und einen größeren oberflächennahen Innenbereich verteilt werden, bevor es in den Strom von Arbeitsfluid abgegeben wird. Da derartige oberflächennahe Innenbereiche hochwirksame Bereiche darstellen, durch die ein Kühlmittel umzuwälzen ist, kann die oberflächennahe Gabelung 76 die Leistung und Kühleffizienz erhöhen.
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Wie erwähnt, gestattet die oberflächennahe Gabelung 76 auch das Abgeben von Kühlmittel über eine größere Außenfläche. Diese größere Fläche kann allein innerhalb jeder der hier bereits erörterten Zielflächen enthalten sein, oder alternativ dazu kann die oberflächennahe Gabelung 76 dazu eingerichtet sein, Auslassöffnungen 75 zu enthalten, die einige der Zielflächen bedecken oder überspannen. Somit kann beispielsweise die oberflächennahe Gabelung 76 gemäß beispielhaften Konfigurationen Zinken 77 enthalten, die mit zwei oder mehreren Auslässen 75 verbunden sind, die vollständig auf entweder der Rotationsvorderkante 62 der Abdichtschiene 42 oder der Rotationshinterkante 63 der Abdichtschiene 42 ausgebildet sind. Das heißt, die oberflächennahe Gabelung 76 kann einen ersten Zinken 77 und einen zweiten Zinken 77 enthalten, die mit Auslassöffnungen 75 verbunden sind, die beide an der Rotationsvorderkante 62 ausgebildet sind und/oder beide an der Rotationshinterkante 63 der Abdichtschiene 42 ausgebildet sind. Gemäß der alternativen Konfigurationsform kann die oberflächennahe Gabelung 76 beispielsweise einen ersten Zinken 77, der mit einer an der Kante 46 des Spitzendeckbands 41 ausgebildeten Auslassöffnung 75 verbunden ist, und einen zweiten Zinken 77, der mit einer an der inneren Fläche 45 des Spitzendeckbands 41 ausgebildeten Auslassöffnung 75 verbunden ist, enthalten. Gemäß einem anderen Beispiel kann die oberflächennahe Gabelung 76 beispielsweise einen ersten Zinken 77, der mit einer an entweder der Rotationsvorderkante 62 oder der Rotationshinterkante 63 der Abdichtschiene 42 ausgebildeten Auslassöffnung 75 verbunden ist, und einen zweiten Zinken 77, der mit einer an entweder der Vorderseite 56 oder der Rückseite 57 der Abdichtschiene 42 ausgebildeten Auslassöffnung 75 verbunden ist, enthalten. Andere Konfigurationen, von denen einige dargestellt sind, sind auch möglich.
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Wie einem Durchschnittsfachmann verständlich ist, können die vielen verschiedenen obenstehend beschriebenen Merkmale und Konfigurationen in Bezug auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ferner gezielt angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Der Kürze halber und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Durchschnittsfachmanns sind alle möglichen Iterationen nicht bereitgestellt oder ausführlich erörtert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die von den mehreren untenstehenden Ansprüchen oder anderenfalls umfangen werden, Teil der vorliegenden Anmeldung sein sollen. Zusätzlich werden Fachleute aus der obenstehenden Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen wahrnehmen. Derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb des Vermögens des Fachgebiets sollen auch von den beigefügten Ansprüchen abgedeckt sein. Ferner sollte es ersichtlich sein, dass das Vorstehende sich nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen und Umfang der Erfindung, wie von den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert, abzuweichen.
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Eine Turbinenlaufschaufel, die enthält: ein zwischen einer Druckseite und einer Saugseite definiertes Schaufelblatt; ein Spitzendeckband, das eine von einer äußeren Fläche vorragende Abdichtschiene und einen daran ausgebildeten Schneidezahn enthält; und eine Kühlkonfiguration, die einen Kühlkanal zur Aufnahme und Leitung eines Kühlmittels durch einen Innenraum der Laufschaufel enthält. Der Kühlkanal kann strömungsmäßig verbundene Segmente enthalten, in denen: sich ein Zufuhrsegment radial durch das Schaufelblatt erstreckt; ein Schneidezahnsegment innerhalb des Schneidezahns der Abdichtschiene ausgebildet ist; und Verzweigungssegmente innerhalb mindestens einem von dem Spitzendeckband und einem äußeren Bereich des Schaufelblatts ausgebildet sind. Jedes der Verzweigungssegmente kann sich zwischen einer stromaufwärtigen Öffnung, die mit dem Schneidezahnsegment verbunden ist, und einer Auslassöffnung, die auf einer Zielfläche ausgebildet ist, erstrecken, so dass das Verzweigungssegment einen Zielinnenbereich zweiteilt.
