DE102017110050A1

DE102017110050A1 - Aufgeweitete zentrale Ausnehmung hinter der Flügelprofilvorderkante

Info

Publication number: DE102017110050A1
Application number: DE102017110050.4A
Authority: DE
Inventors: Brendon James Leary; Gregory Thomas Foster; Michelle Jessica Iduate; David Wayne Weber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2017-11-16
Also published as: KR20170128146A; US11732593B2; US20200063574A1; US10605096B2; JP7118598B2; US11199098B2; KR102323269B1; CN107366555B; CN107366555A; US20220056805A1; JP2017203456A; US20170328218A1

Abstract

Eine Schaufel enthält ein Schaufelblatt (25), das durch eine Druckseitenaußenwand (26) und eine Saugseitenaußenwand (27) definiert ist, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante (28, 29) miteinander verbunden sind und eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme einer Kühlmittelströmung bilden. Eine Rippenkonfiguration kann enthalten: eine Vorderkantenquerrippe (66), die die Druckseitenaußenwand (26) und die Saugseitenaußenwand (27) verbindet und die sich radial erstreckende Kammer in einen Vorderkantendurchgang (42) innerhalb der Vorderkante (28) des Schaufelblattes (25) und einen zentralen Durchgang (40) benachbart zu dem Vorderkantendurchgang (42) unterteilt. Eine der oder beide Wölbungslinienrippen (62) sind mit einer entsprechenden Druckseitenaußenwand (26) und Saugseitenaußenwand (27) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkantenquerrippe (66) verbunden, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu einer oder beiden von der Druckseitenaußenwand (26) und der Saugseitenaußenwand (27) hin zu erstrecken, was eine aufgeweitete zentrale Kavität hinter der Vorderkante (28) ergibt.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft Turbinenschaufelblätter (Turbinenflügelprofile) und insbesondere hohle Turbinenschaufelblätter, wie beispielsweise Lauf- oder Leitschaufeln, mit inneren Kanälen zur Durchleitung von Fluiden, wie beispielsweise Luft, um die Schaufelblätter zu kühlen.
Verbrennungs- oder Gasturbinen (hier nachstehend „Gasturbinen“) enthalten einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Wie in der Technik allgemein bekannt ist, wird in dem Verdichter verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und in der Brennkammer gezündet und anschließend durch die Turbine expandiert, um Leistung zu erzeugen. Die Komponenten innerhalb der Turbine, insbesondere die längs des Umfangs aneinandergereihten Lauf- und Leitschaufeln, sind einer aggressiven Umgebung ausgesetzt, die durch die extrem hohen Temperaturen und Drucke der Verbrennungsprodukte, die durch diese hindurch ausgegeben werden, gekennzeichnet sind. Um der wiederholten Temperaturwechselbeanspruchung sowie den extremen Temperaturen und mechanischen Belastungen dieser Umgebung standzuhalten, müssen die Schaufelblätter einen robusten Aufbau haben und aktiv gekühlt werden.
Wie erkannt wird, enthalten Turbinenlauf- und -leitschaufeln häufig innere Durchgänge oder Kreisläufe, die ein Kühlsystem bilden, durch das ein Kühlmittel, gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Luft, umgewälzt wird. Derartige Kühlkreisläufe sind gewöhnlich durch innere Rippen gebildet, die den erforderlichen strukturellen Halt für das Schaufelblatt bieten und mehrere Strömungspfadanordnungen enthalten, um das Schaufelblatt innerhalb eines zulässigen Temperaturprofils zu halten. Die durch diese Kühlkreisläufe hindurchströmende Luft wird häufig durch Filmkühlöffnungen ausgelassen, die an der Vorderkante, Hinterkante, Saugseite und Druckseite des Schaufelblattes ausgebildet sind.
Es wird erkannt, dass der Wirkungsgrad von Gasturbinen mit steigenden Brenntemperaturen steigt. Aufgrund dessen besteht ein beständiger Bedarf nach technologischen Fortschritten, die Turbinenschaufeln ermöglichen, noch höheren Temperaturen zu wiederstehen. Diese Fortschritte umfassen manchmal neue Materialien, die in der Lage sind, den höheren Temperaturen standzuhalten, aber umfassen ebenso oft eine Verbesserung der inneren Konfiguration des Schaufelblattes, um die Schaufelstruktur und die Kühlfähigkeiten zu verbessern. Weil jedoch die Nutzung eines Kühlmittels den Wirkungsgrad der Turbine verringert, tauschen neue Einrichtungen, die zu stark auf erhöhten Graden des Kühlmitteleinsatzes beruhen, lediglich eine Ineffizienz gegen eine andere aus. Infolgedessen bleibt weiterhin ein Bedarf nach neuen Schaufelblattanordnungen, die innere Schaufelblattkonfigurationen und eine Kühlmittelzirkulation bieten, die die Kühlmitteleffizienz verbessert.
Ein Gesichtspunkt, der die Einrichtung von intern gekühlten Schaufelblättern weiter verkompliziert, ist die Temperaturdifferenz, die während eines Betriebs zwischen der inneren und äußeren Struktur von Schaufelblättern entsteht. Das heißt, weil diese dem Heißgaspfad ausgesetzt sind, halten sich die Außenwände des Schaufelblattes während des Betriebs gewöhnlich bei viel höheren Temperaturen als viele der inneren Rippen auf, die zum Beispiel ein Kühlmittel aufweisen können, dass durch an jeder Seite von ihnen definierte Durchgänge strömt. In der Tat enthält eine übliche Schaufelblattkonfiguration eine „vierwandige“ Anordnung, in der längliche innere Rippen parallel zu druck- und saugseitigen Außenwänden verlaufen. Es ist bekannt, dass eine hohe Kühleffizienz durch die wandnahen Strömungsdurchgänge, die in der vierwandigen Anordnung ausgebildet sind, erreicht werden kann. Eine Herausforderung bei den wandnahen Strömungsdurchgängen liegt darin, dass die Außenwände ein deutlich größeres Maß an thermischer Ausdehnung als die inneren Wände erfahren. Dieses unausgewogene Wachstum bewirkt, dass sich Spannungen an den Stellen entwickeln, an denen die inneren Rippen verbunden sind, was niederfrequente Ermüdung hervorrufen kann, die die Lebensdauer der Schaufel verkürzen kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der Offenbarung ergibt eine Schaufel, die ein Schaufelblatt (auch als Flügelprofil bezeichnet) aufweist, das durch eine konkave Druckseitenaußenwand und eine konvexe Saugseitenaußenwand definiert ist, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante miteinander verbunden sind und dazwischen eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme der Strömung eines Kühlmittels bilden, wobei die Schaufel ferner aufweist: eine Rippenkonfiguration, die enthält: eine Vorderkantenquerrippe, die die Druckseitenaußenwand und die Saugseitenaußenwand verbindet und die sich radial erstreckende Kammer in einen Vorderkantendurchgang innerhalb der Vorderkante des Schaufelblattes und einen zentralen Durchgang benachbart zu dem Vorderkantendurchgang unterteilt, und eine Wölbungslinienrippe, die mit einer ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand und der Saugseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand und der Saugseitenaußenwand hin zu erstrecken.
In einer beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe enthält: eine druckseitige Wölbungslinienrippe, die sich in der Nähe der Druckseitenaußenwand befindet und mit der Druckseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand hin zu erstrecken; und eine saugseitige Wölbungslinienrippe, die sich in der Nähe der Saugseitenaußenwand befindet und mit der Saugseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand hin zu erstrecken.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass an einer Stelle, an der der zentrale Durchgang sich zu der Saugseitenaußenwand und der Druckseitenaußenwand hin erstreckt, eine Weite t_f zwischen äußersten Erstreckungen des zentralen Durchgangs definiert ist und eine Weite t_a zwischen äußeren Oberflächen der Saugseitenaußenwand und der Druckseitenaußenwand definiert ist und dass ein Verhältnis der Weite t_f zu der Weite t_a in einem Bereich von 40% bis 70% liegt.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Druckseitenaußenwand und die druckseitige Wölbungslinienrippe einen Druckseitenströmungsdurchgang dazwischen definieren, und wobei die Saugseitenaußenwand und die saugseitige Wölbungslinienrippe einen Saugseitenströmungsdurchgang dazwischen definieren.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe eine druckseitige Wölbungslinienrippe enthält, die mit der Druckseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand hin zu erstrecken.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass an einer Stelle, an der der zentrale Durchgang sich zu der Druckseitenaußenwand hin erstreckt, eine Weite t_f zwischen äußersten Erstreckungen des zentralen Durchgangs definiert ist und eine Weite t_a zwischen äußeren Oberflächen der Saugseitenaußenwand und der Druckseitenaußenwand definiert ist und dass ein Verhältnis der Weite t_f zu der Weite t_a in einem Bereich von 40% bis 70% liegt.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe eine saugseitige Wölbungslinienrippe enthält, die mit der Saugseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist und den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand hin zu erstrecken.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass eine Stelle, an der der zentrale Durchgang sich zu der Saugseitenaußenwand hin erstreckt, eine Weite t_f zwischen äußersten Erstreckungen des zentralen Durchgangs definiert ist und eine Weite t_a zwischen äußeren Oberflächen der Saugseitenaußenwand und der Druckseitenaußenwand definiert ist und dass ein Verhältnis der Weite t_f zu der Weite t_a in einem Bereich von 40% bis 70% liegt.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Vorderkantenquerrippe einen Überleitungskanal zwischen dem Vorderkantendurchgang und dem zentralen Durchgang enthält.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe ein welliges Profil aufweist.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Schaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Schaufel entweder eine Turbinenlaufschaufel oder eine Turbinenleitschaufel aufweist.
Ein zweiter Aspekt der Offenbarung ergibt eine Turbinenlaufschaufel, die ein Schaufelblatt aufweist, das durch eine konkave Druckseitenaußenwand und eine konvexe Saugseitenaußenwand definiert ist, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante miteinander verbunden sind und dazwischen eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme der Strömung eines Kühlmittels bilden, wobei die Turbinenlaufschaufel ferner aufweist: eine Rippenkonfiguration, die enthält: eine Vorderkantenquerrippe, die die Druckseitenaußenwand und die Saugseitenaußenwand verbindet und die sich radial erstreckende Kammer in einen Vorderkantendurchgang innerhalb der Vorderkante des Schaufelblattes und einen zentralen Durchgang benachbart zu dem Vorderkantendurchgang unterteilt, und eine Wölbungslinienrippe, die mit einer ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand und der Saugseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist und den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand und der Saugseitenaußenwand hin zu erstrecken.
Die veranschaulichenden Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind Einrichtungen, um die hierin beschriebenen Probleme und/oder andere Probleme, die nicht erläutert sind, zu lösen.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe enthält: eine druckseitige Wölbungslinienrippe, die sich in der Nähe der Druckseitenaußenwand befindet und mit der Druckseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand hin zu erstrecken; und eine saugseitige Wölbungslinienrippe, die sich in der Nähe der Saugseitenaußenwand befindet und mit der Saugseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand hin zu erstrecken.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel kann es vorteilhaft sein, dass an einer Stelle, an der der zentrale Durchgang sich zu der Saugseitenaußenwand und der Druckseitenaußenwand hin erstreckt, eine Weite t_f zwischen äußersten Erstreckungen des zentralen Durchgangs definiert ist und eine Weite t_a zwischen äußeren Oberflächen der Saugseitenaußenwand und der Druckseitenaußenwand definiert ist und dass ein Verhältnis der Weite t_f zu der Weite t_ain einem Bereich von 40% bis 70% liegt.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Druckseitenaußenwand und die druckseitige Wölbungslinienrippe einen Druckseitenströmungsdurchgang dazwischen definieren und wobei die Saugseitenaußenwand und die saugseitige Wölbungslinienrippe einen Saugseitenströmungsdurchgang dazwischen definieren.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe eine druckseitige Wölbungslinienrippe enthält, die mit der Druckseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand hin zu erstrecken.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe eine saugseitige Wölbungslinienrippe enthält, die mit der Saugseitenaußenwand an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe verbunden ist, was den zentralen Durchgang veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand hin zu erstrecken.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Vorderkantenquerrippe einen Überleitungskanal zwischen dem Vorderkantendurchgang und dem zentralen Durchgang enthält.
In jeder beliebigen Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel kann es vorteilhaft sein, dass die Wölbungslinienrippe ein welliges Profil aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale dieser Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verstanden, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, in denen:
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbine, in der bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können.
2 zeigt eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts der Verbrennungsturbine nach 1.
3 zeigt eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts der Verbrennungsturbine nach 1.
4 zeigt eine Perspektivansicht einer Turbinenlaufschaufel der Bauart, in der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine Innenwand- oder Rippenkonfiguration gemäß einer herkömmlichen Anordnung aufweist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine Innenwandkonfiguration gemäß einer herkömmlichen Anordnung aufweist.
7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine aufgeweitete Konfiguration eines zentralen Durchgangs gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist.
8 zeigt eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine aufgeweitete Konfiguration eines zentralen Durchgangs gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist.
9 zeigt eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine aufgeweitete Konfiguration eines zentralen Durchgangs gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist.
10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die einen aufgeweiteten zentralen Durchgang ohne ein welliges Profil wie in den 7–9 aufweist, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Es sei erwähnt, dass die Zeichnungen der Offenbarung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Offenbarung darstellen und sollten folglich nicht als den Umfang der Offenbarung beschränkend angesehen werden. In den Zeichnungen repräsentieren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente unter den Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Als eine einleitende Maßnahme ist es, um die vorliegende Offenbarung deutlich zu beschreiben, erforderlich, eine bestimmte Terminologie zu wählen, wenn auf relevante Maschinenkomponenten innerhalb einer Gasturbine Bezug genommen wird und diese beschrieben werden. Dabei wird, wenn möglich, die in der Industrie übliche Terminologie verwendet und in einer mit ihrer akzeptierten Bedeutung übereinstimmenden Weise eingesetzt. Sofern nichts anderes angegeben ist, sollte eine derartige Terminologie eine weite Auslegung erhalten, die mit dem Inhalt der vorliegenden Anmeldung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche vereinbar ist. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass häufig eine bestimmte Komponente unter Verwendung mehrerer verschiedener oder überlaufender Ausdrücke bezeichnet werden kann. Was hierin als ein Einzelteil beschrieben sein kann, kann in einem anderen Kontext mehrere Komponenten enthalten oder aus mehreren Komponenten bestehend bezeichnet werden. Alternativ kann das, was hierin als mehrere Komponenten enthaltend beschrieben sein kann, woanders als ein Einzelteil bezeichnet sein.
Zusätzlich können mehrere beschreibende Begriffe hierin regelmäßig verwendet werden, und es sollte sich als hilfreich erweisen, diese Begriffe zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Diese Begriffe und ihre Definitionen sind, sofern nichts anderes angegeben ist, wie folgt. In dem hierin verwendeten Sinne sind „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ Begriffe, die eine Richtung in Bezug auf die Strömung eines Fluids, wie beispielsweise des Arbeitsfluids, durch die Turbine oder zum Beispiel die Strömung von Luft durch die Brennkammer oder eines Kühlmittels durch eines der Komponentensysteme der Turbine anzeigen. Der Begriff „stromabwärts“ entspricht der Strömungsrichtung des Fluids, und der Begriff „stromaufwärts“ bezieht sich auf die zu der Strömung entgegengesetzte Richtung. Die Begriffe „vorne“ und „hinten“, ohne irgendeine weitere Genauigkeit, beziehen sich auf Richtungen, wobei „vorne“ die Vorderseite oder das Verdichterende der Gasturbine betrifft, während „hinten“ sich auf die Hinterseite oder das Turbinenende der Gasturbine bezieht. Es ist häufig erforderlich, Teile zu beschreiben, die sich an unterschiedlichen radialen Positionen in Bezug auf eine Mittelachse befinden. Der Begriff „radial“ bezieht sich auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. In Fällen wie diesem wird in dem Fall, dass sich eine erste Komponente näher an der Achse befindet als eine zweite Komponente, hierin angegeben, dass sich die erste Komponente „radial innen“ oder „innerhalb“ der zweiten Komponente befindet. Falls sich andererseits die erste Komponente weiter entfernt von der Achse als die zweite Komponente befindet, kann hierin angegeben sein, dass sich die erste Komponente „radial außen“ oder „außerhalb“ der zweiten Komponente befindet. Der Begriff „axial“ bezieht sich auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse. Schließlich bezieht sich der Begriff „Umfangs-„ bzw. „in Umfangsrichtung“ auf eine Bewegung oder Position rings um eine Achse. Es wird erkannt, dass derartige Begriffe in Bezug auf die Mittelachse der Turbine angewandt werden können.
Indem nun als ein Hintergrund auf die Figuren Bezug genommen wird, veranschaulichen 1 bis 4 eine beispielhafte Verbrennungsturbine, in der Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können. Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese spezielle Nutzungsart beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung kann in Verbrennungsturbinen, wie beispielsweise denjenigen, die bei der Energieerzeugung, in Flugzeugen sowie anderen Antriebs- oder Turbomaschinenarten verwendet werden, eingesetzt werden. Die bereitgestellten Beispiele sollen nicht beschränkend sein, sofern nichts anderes angegeben ist.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungsturbine 10. Allgemein arbeiten Verbrennungsturbinen, indem sie aus einer druckbeaufschlagten Heißgasströmung, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Druckluftstrom erzeugt wird, Energie extrahieren. Wie in 1 veranschaulicht, kann die Verbrennungsturbine 10 mit einem Axialverdichter 11, der über eine gemeinsame Welle oder einen Rotor mit einem stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder einer Turbine 13 mechanisch verbunden ist, und einer Brennkammer 12 eingerichtet sein, die zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 13 positioniert ist.
2 veranschaulicht eine Ansicht eines anschaulichen mehrstufigen Axialverdichters 11, der in der Verbrennungsturbine nach 1 verwendet werden kann. Wie veranschaulicht, kann der Verdichter 11 mehrere Stufen enthalten. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 enthalten, der eine Reiche von Verdichterleitschaufeln 15 folgt. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14, die um eine Mittelachse herum rotieren, gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 15 enthalten, die während des Betriebs stationär bleiben.
3 veranschaulicht eine Teilansicht eines anschaulichen Turbinenabschnitts oder einer Turbine 13, die in der Verbrennungsturbine nach 1 verwendet werden kann. Die Turbine 13 kann mehrere Stufen enthalten. Es sind drei anschauliche Stufen gezeigt, wobei jedoch mehrere oder weniger Stufen in der Turbine 13 vorhanden sein können. Eine erste Stufe enthält mehrere Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorschaufeln 16, die während eines Betriebs an der Welle rotieren, und mehrere Leitapparate oder Turbinenleitschaufeln 17, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Turbinenleitschaufeln 17 sind allgemein längs des Umfangs voneinander beabstandet und um die Drehachse herum fixiert. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können an einem (nicht veranschaulichten) Turbinenlaufrad zur Drehung an der (nicht veranschaulichten) Welle montiert sein. Es ist auch eine zweite Stufe der Turbine 13 veranschaulicht. Die zweite Stufe enthält ebenso mehrere längs des Umfangs beabstandete Turbinenleitschaufeln 17, denen mehrere längs des Umfangs beabstandete Turbinenlaufschaufeln 16 folgen, die ebenfalls an einem Turbinenlaufrad drehfest montiert sind. Es ist ferner eine dritte Stufe veranschaulicht, und diese enthält in ähnlicher Weise mehrere Turbinenleitschaufeln 17 und -laufschaufeln 16. Es wird erkannt, dass die Turbinenleitschaufeln 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 in dem Heißgaspfad der Turbine 13 liegen. Die Strömungsrichtung der Heißgase durch den Heißgaspfad ist durch den Pfeil angezeigt. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann die Turbine 13 mehrere oder in einigen Fällen weniger Stufen als diejenige, die in 3 veranschaulicht sind, aufweisen. Jede weitere Stufe kann eine Reihe von Turbinenleitschaufeln 17, gefolgt von einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln 16 enthalten.
In einem beispielhaften Betrieb kann die Rotation von Verdichterlaufschaufeln 14 innerhalb des Axialverdichters 11 eine Luftströmung verdichten. In der Brennkammer 12 kann Energie freigegeben werden, wenn die Druckluft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Die resultierende Strömung von Heißgasen aus der Brennkammer 12, die als das Arbeitsfluid bezeichnet werden kann, wird anschließend über die Turbinenlaufschaufeln 16 geleitet, wobei die Strömung des Arbeitsfluids die Rotation der Turbinenlaufschaufeln 16 an der Welle hervorruft. Dadurch wird die Energie der Arbeitsfluidströmung in die mechanische Energie der rotierenden Laufschaufeln umgesetzt, und aufgrund der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle läuft die rotierende Welle um. Die mechanische Energie der Welle kann anschließend dazu verwendet werden, die Drehbewegung der Verdichterlaufschaufeln 14, so dass die erforderliche Druckluftversorgung erzeugt wird, und auch zum Beispiel einen Generator anzutreiben, um Strom zu erzeugen.
4 zeigt eine Perspektivansicht einer Turbinenlaufschaufel 16 der Bauart, in der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Die Turbinenlaufschaufel 16 enthält eine Wurzel 21, über die die Laufschaufel 16 an einer Laufscheibe angebracht ist. Die Wurzel 21 kann einen Schwalbenschwanz enthalten, der zur Montage in einer zugehörigen Schwalbenschwanznut in dem Umfangsrand der Laufscheibe eingerichtet ist. Die Wurzel 21 kann ferner einen Schaft enthalten, der sich zwischen dem Schwalbenschwanz und einer Plattform 24 erstreckt, die an der Verbindung zwischen einem Schaufelblatt (Flügelprofil) 25 und der Wurzel 21 angeordnet ist und einen Abschnitt der inneren Begrenzung des Strömungspfades durch die Turbine 13 definiert. Es wird erkannt, dass das Schaufelblatt 25 die aktive Komponente der Laufschaufel 16 darstellt, die die Arbeitsfluidströmung abfängt und die Rotation der Laufscheibe hervorruft. Während die Schaufel dieses Beispiels eine Turbinenlaufschaufel 16 ist, wird erkannt, dass die folgende Offenbarung auch auf andere Arten von Schaufeln innerhalb der Turbine 10, einschließlich Turbinenstatorschaufeln 17 (Leitschaufeln), angewandt werden kann. Es ist zu sehen, dass das Schaufelblatt 25 der Laufschaufel 16 eine konkave Druckseiten(PS)-Außenwand 26 und eine in Umfangsrichtung oder lateral gegenüberliegende konvexe Saugseiten(SS)-Außenwand 27 enthält, die sich axial zwischen einer Vorder- und einer gegenüberliegenden Hinterkante 28 bzw. 29 erstrecken. Die Seitenwände 26 und 27 erstrecken sich auch in der Radialrichtung von der Plattform 24 bis zu einer außenliegenden Spitze 31. (Es wird erkannt, dass die Anwendung der vorliegenden Offenbarung nicht auf Turbinenlaufschaufeln beschränkt sein kann, sondern auch auf Leitschaufeln anwendbar sein kann. Die Verwendung von Laufschaufeln in den verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen ist veranschaulichend, sofern nichts anderes angegeben ist.)
5 und 6 zeigen zwei beispielhafte Innenwandkonstruktionen, wie sie in einem Laufschaufelblatt 25 mit einer herkömmlichen Anordnung vorzufinden sind. Wie angezeigt, kann eine äußere Oberfläche des Schaufelblattes 25 durch eine relativ dünne Druckseiten(PS)-Außenwand 26 und Saugseiten(SS)-Außenwand 27 definiert sein, die über mehrere sich radial erstreckende und schneidende Rippen 60 verbunden sein können. Die Rippen 60 sind eingerichtet, um dem Schaufelblatt 25 strukturellen Halt zu bieten, während sie ferner mehrere sich radial erstreckende und im Wesentlichen getrennte Strömungsdurchgänge 40 definieren. Gewöhnlich erstrecken sich die Rippen 60 in Radialrichtung, um Strömungsdurchgänge 40 über einen Großteil der radialen Höhe des Schaufelblattes 25 hinweg zu unterteilen, wobei jedoch der Strömungsdurchgang entlang des Umfangsrandes des Schaufelblattes verbunden sein kann, um einen Kühlkreislauf zu definieren. Das heißt, die Strömungsdurchgänge 40 können an den außenliegenden oder innenliegenden Rändern des Schaufelblattes 25 sowie über Prallöffnungen (die letzteren sind nicht veranschaulicht), die dazwischen positioniert sein können, strmungsmäßig miteinander kommunizieren. Auf diese Weise können einige der Strömungsdurchgänge 40 gemeinsam einen sich windenden oder serpentinenartigen Kühlkreislauf bilden. Außerdem können (nicht veranschaulichte) Filmkühlöffnungen enthalten sein, die Auslässe bereitstellen, durch die ein Kühlmittel aus den Strömungsdurchgängen 40 auf die äußere Oberfläche des Schaufelblattes 25 ausgegeben wird.
Die Rippen 60 können zwei verschiedene Arten enthalten, die dann, wie hierin vorgesehen, weiter unterteilt sein können. Eine erste Art, eine Wölbungslinienrippe 62, ist gewöhnlich eine längliche Rippe, die sich parallel oder ungefähr parallel zu der Wölbungslinie des Schaufelblattes erstreckt, die eine sich von einer Vorderkante 28 zu einer Hinterkante 29 erstreckende Referenzlinie ist, die die Mittelpunkte zwischen der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 verbindet. Wie es häufig der Fall ist, enthalten die veranschaulichenden herkömmlichen Konfigurationen gemäß den 5 und 6 zwei Wölbungslinienrippen 62, eine druckseitige Wölbungslinienrippe 63, die bei der gegebenen Art und Weise, in der sie zu der Druckseitenaußenwand 26 versetzt und nahe an dieser angeordnet ist, auch als die Druckseitenaußenwand bezeichnet werden kann, und eine saugseitige Wölbungslinienrippe 64, die bei der gegebenen Art und Weise, in der sie von der Saugseitenaußenwand 27 versetzt und nahe an dieser angeordnet ist, auch als die Saugseitenaußenwand bezeichnet werden kann. Wie erwähnt, werden diese Arten von Anordnungen häufig derart bezeichnet, dass sie eine „vierwandige“ Konfiguration aufweisen, was auf die vorhandenen vier Hauptwände zurückzuführen ist, die zwei Außenwände 26, 27 und zwei Wölbungslinienrippen 63, 64 umfassen. Es wird erkannt, dass die Außenwände 26, 27 und die Wölbungslinienrippen 62 unter Verwendung einer beliebigen heutzutage bekannten oder künftig entwickelten Technik, zum Beispiel über Gießen oder additive Fertigung, als integrale Komponenten erzeugt werden können.
Die zweite Art einer Rippe wird hierin als eine Querrippe 66 bezeichnet. Querrippen 66 sind die kürzeren Rippen, die veranschaulicht sind, wie sie die Wände und innere Rippen der vierwandigen Konfiguration verbinden. Wie angezeigt, können die vier Wände durch eine Anzahl von Querrippen 66 verbunden sein, die weiter entsprechend dem qualifiziert werden können, welche der Wände jede verbindet. In dem hierin verwendeten Sinne werden Querrippen 66, die die Druckseitenaußenwand 26 mit der druckseitigen Wölbungslinienrippe 63 verbinden, als druckseitige Querrippen 67 bezeichnet. Querrippen 66, die die Saugseitenaußenwand 27 mit der saugseitigen Wölbungslinienrippe 64 verbinden, werden als saugseitige Querrippen 68 bezeichnet. Querrippen 66, die die druckseitige Wölbungslinienrippe 63 mit der saugseitigen Wölbungslinienrippe 64 verbinden, werden als zentrale Querrippen 63 bezeichnet. Schließlich wird eine Querrippe 66, die die Druckseitenaußenwand 26 und die Saugseitenaußenwand 27 in der Nähe der Vorderkante 28 verbindet, als eine Vorderkantenquerrippe 70 bezeichnet. Die Vorderkantenquerrippe 70 ist in den 5 und 6 ferner mit einem Vorderkantenende der druckseitigen Wölbungslinienrippe 63 und einem Vorderkantenende der saugseitigen Wölbungslinienrippe 64 verbunden.
Während die Vorderkantenquerrippe 70 die Druckseitenaußenwand 26 und die Saugseitenaußenwand 27 koppelt, bildet sie auch einen Durchgang 40, der hierin als ein Vorderkantendurchgang 42 bezeichnet wird. Der Vorderkantendurchgang 42 kann eine ähnliche Funktionalität wie andere Durchgänge 40, die hierin beschrieben sind, haben.
Im Allgemeinen liegt der Zweck einer jeden internen Konfiguration in einem Schaufelblatt 25 darin, eine effiziente wandnahe Kühlung zu ermöglichen, in der die Kühlluft in Kanälen benachbart zu den Außenwänden 26, 27 des Schaufelblattes 25 strömt. Es wird erkannt, dass eine wandnahe Kühlung vorteilhaft ist, weil die Kühlluft sich in enger Nähe zu den heißen äußeren Oberflächen des Schaufelblattes befindet und die resultierenden Wärmeübertragungskoeffizienten aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit, die durch Beschränkung des Durchflusses durch schmale Kanäle erreicht wird, hoch sind. Jedoch sind derartige Anordnungen dafür anfällig, aufgrund der unterschiedlichen Grade an Wärmeausdehnung, die innerhalb des Schaufelblattes 25 erfahren werden, eine niederfrequente Ermüdung zu erfahren, die schließlich die Lebensdauer der Laufschaufel verkürzen kann. Zum Beispiel dehnt sich die Saugseitenaußenwand 27 im Betrieb thermisch mehr aus als die saugseitige Wölbungslinienrippe 64. Diese unterschiedliche Dehnung neigt dazu, die Länge der Wölbungslinie des Schaufelblattes 25 zu vergrößern, und ruft dadurch eine Spannung zwischen jeder dieser Strukturen sowie denjenigen Strukturen, die diese verbinden, hervor. Zusätzlich dehnt sich die Druckseitenaußenwand 26 ebenfalls thermisch mehr aus als die kühlere druckseitige Wölbungslinienrippe 63. In diesem Fall neigt die Differenz dazu, die Länge der Wölbungslinie des Schaufelblattes 25 zu verringern und dadurch eine Spannung zwischen jeder dieser Strukturen sowie diejenigen Strukturen, die diese verbinden, hervorzurufen. Die gegensätzlichen Kräfte innerhalb des Schaufelblattes, die in dem einen Fall dazu neigt, die Schaufelblattwölbungslinie zu verringern, und in dem anderen Fall dazu neigt, diese vergrößert, können zu Spannungskonzentrationen führen. Die verschiedene Art und Weise, in der diese Kräfte sich bei einer gegebenen speziellen strukturellen Konfiguration eines Schaufelblattes selbst manifestieren, und die Art und Weise, in der die Kräfte dann ausgeglichen und kompensiert werden, wird zu einem wesentlichen Bestimmungsfaktor für die Teilelebensdauer der Laufschaufel 16.
Insbesondere neigt die Saugseitenaußenwand 27 in einem üblichen Szenarium dazu, sich an der Spitze ihrer Krümmung nach außen zu biegen, wenn eine Beaufschlagung mit den hohen Temperaturen des Heißgaspfades sie veranlassen, sich thermisch auszudehnen. Es wird erkannt, dass die saugseitige Wölbungslinienrippe 64, die eine innere Wand ist, nicht das gleiche Maß an thermischer Ausdehnung erfährt und folglich nicht die gleiche Neigung, sich nach außen zu verbiegen, hat. Das heißt, die Wölbungslinienrippe 64 und die Querrippen 66 und ihre Verbindungspunkte widerstehen dem Wärmewachstum der äußeren Wand 27.
Herkömmliche Anordnungen, von denen ein Beispiel in 5 gezeigt ist, weisen Wölbungslinienrippen 62 auf, die mit steifen Geometrien ausgebildet sind, die wenig oder keine Nachgiebigkeit bieten. Der Widerstand und die Spannungskonzentrationen, die daraus resultieren, können beträchtlich sein. Was das Problem verschlimmert, ist, dass die Querrippen 66, die verwendet werden, um die Wölbungslinienrippe 62 mit der Außenwand 27 zu verbinden, mit linearen Profilen und generell unter rechten Winkeln in Bezug auf die Wände, die sie verbinden, ausgerichtet ausgebildet sein können. Wenn dies der Fall ist, wirken Querrippen 66, um grundsätzlich die „kalte“ räumliche Beziehung zwischen der Außenwand 27 und der Wölbungslinienrippe 64 festzuhalten, wenn sich die erwärmten Strukturen mit deutlich verschiedenen Raten ausdehnen. Die wenig oder nicht „nachgiebige“ Situation verhindert eine Verbreitung der Spannung, die sich in bestimmten Regionen der Struktur konzentriert. Die unterschiedliche thermische Ausdehnung hat niederfrequente Ermüdungsprobleme zur Folge, die die Komponentenlebensdauer verkürzen.
In der Vergangenheit sind viele verschiedene interne Schaufelblattkühlsysteme und strukturelle Konfigurationen untersucht worden, und es sind Versuche unternommen worden, dieses Problem zu beheben. Ein derartiger Lösungsansatz schlägt eine Überkühlung der Außenwände 26, 27 vor, so dass die Temperaturdifferenz und dadurch die Wärmewachstumsdifferenz reduziert werden. Es wird dennoch bekannt, dass die Art und Weise, in der dies typischerweise bewerkstelligt wird, darin besteht, die Menge des durch das Schaufelblatt zirkulierten Kühlmittels zu erhöhen. Weil das Kühlmittel gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Luft ist, hat seine verstärkte Nutzung eine negative Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Gasturbine und stellt folglich eine Lösung dar, die vorzugsweise vermieden wird. Andere Lösungen schlagen die Verwendung von verbesserten Fertigungsverfahren und/oder von komplexeren inneren Kühlkonfigurationen vor, die die gleiche Kühlmittelmenge verwenden, jedoch diese effizienter nutzen. Während diese Lösungen als gewissermaßen wirksam erwiesen haben, bringt jede zusätzliche Kosten entweder für den Betrieb der Turbine oder die Herstellung des Teils mit sich und tut nichts, um das Kernproblem direkt anzugehen, das die geometrischen Unzulänglichkeiten einer herkömmlichen Anordnung im Lichte dessen, wie Schaufelblätter während des Betriebs thermisch wachsen, ist. Wie in einem Beispiel in 6 veranschaulicht, verwendet ein weiterer Lösungsansatz bestimmte sich krümmende oder blasenförmige oder sinusförmige oder gewellte innere Rippen (hier nachstehend „wellige Rippen“), die unausgeglichene thermische Belastungen mildern, die häufig in dem Schaufelblatt von Laufschaufeln, wie etwa Turbinenlaufschaufeln, auftreten. Diese Strukturen reduzieren die Steifigkeit der inneren Struktur des Schaufelblattes 25, um so eine zielgerichtete Flexibilität zu schaffen, durch die Spannungskonzentrationen verteilt werden und eine Beanspruchung zu anderen strukturellen Regionen ausgeladen wird, die besser in der Lage sind, diesen zu widerstehen. Dies kann zum Beispiel ein Ausladen einer Belastung zu einer Region, die die Beanspruchung über einen größeren Bereich verbreitet, oder gegebenenfalls einer Struktur enthalten, die eine Zugbelastung für eine Drucklast entlädt, die gewöhnlich mehr bevorzugt wird. Auf diese Weise können die Lebensdauer verkürzende Spannungskonzentrationen und Beanspruchungen vermieden werden. Jedoch kann trotz der obigen Anordnungen ein Bereich hoher Spannung sich weiterhin an Verbindungsstellen 80 der Vorderkantenquerrippe 70 mit den Wölbungslinienrippen 63 und 64 ergeben, weil z.B. der Lastpfad der Wölbungslinienrippen 63, 64 an den Verbindungsstellen 80 reagiert, an denen eine unzureichende Kühlung erfolgt.
7–10 zeigen Querschnittsansichten einer Turbinenlaufschaufel 16, die eine Innenwand- oder Rippenkonfiguration gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung aufweist. Die Konfiguration der Rippen, die gewöhnlich sowohl als strukturelle Unterstützung als auch als Unterteilungen verwendet werden, die die hohlen Schaufelblätter 25 in im Wesentlichen voneinander getrennte, sich radial erstreckende Strömungsdurchgänge 40 aufteilen, die wunschgemäß miteinander verbunden sein können, um Kühlkreisläufe zu schaffen. Diese Strömungsdurchgänge 40 und die Kreisläufe, die diese bilden, werden verwendet, um eine Kühlmittelströmung durch das Schaufelblatt 25 in einer bestimmten Weise zu leiten, so dass deren Nutzung zielgerichtet und effizienter ist. Obwohl die hierin bereitgestellten Beispiele veranschaulicht sind, wie sie in einer Turbinenlaufschaufel 16 verwendet werden könnten, wird erkannt, dass die gleichen Konzepte auch in Turbinenstatorschaufeln 17 (Leitschaufeln) angewandt werden können.
Insbesondere lehrt die vorliegende Offenbarung, wie in Bezug auf die 7–10 nachstehend beschrieben ist, eine Positionierung wenigstens einer Wölbungslinienrippe 63, 64, so dass diese mit der Druckseitenaußenwand 26 und/oder der Saugseitenaußenwand 27 an einer Stelle hinter der Vorderkantenquerrippe 70 verbunden ist, was den zentralen Durchgang 46 veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand 26 und/oder der Saugseitenaußenwand 27 hin zu erstrecken. Auf diese Weise weitet sich der zentrale Durchgang 46 zu wenigstens einer der Außenwände 26, 27 trichterartig aus, was die Spannung in den Verbindungspunkten 80 und einer anderen benachbarten Struktur zu der Vorderkantenquerrippe 70 abbaut. Um diese Veränderung zu bewirken, enthält die Turbinenlaufschaufel 16 eine Rippenkonfiguration, die eine Vorderkantenquerrippe 70 enthält, die mit der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 verbunden ist und die die radial erstreckende Kammer in einen Vorderkantendurchgang 42 innerhalb der Vorderkante 28 des Schaufelblattes 25 und einen zentralen Durchgang 46 benachbart zu dem Vorderkantendurchgang 42 unterteilt. Der zentrale Durchgang 46 ist „zentral“, weil er sich innerhalb anderer Durchgänge befindet oder von diesen anderen Durchgänge, z.B. 48, 50, umgeben ist, die zwischen den Wölbungslinienrippen 63, 64 und den Außenwänden 26 bzw. 27 ausgebildet sind. Zum Beispiel definieren die Druckseitenaußenwand 26 und die druckseitige Wölbungslinienrippe 63 einen Druckseitenströmungsdurchgang 48 dazwischen, und die Saugseitenaußenwand 27 und die saugseitige Wölbungslinienrippe 64 definieren einen Saugseitenströmungsdurchgang 50 dazwischen.
Wie veranschaulicht, kann der Überleitungskanal (können die Überleitungskanäle) 44 als eine Option innerhalb der Vorderkantenquerrippe 70 vorgesehen sein, um einem Kühlmittel zu ermöglichen, zwischen dem Vorderkantendurchgang 42 und dem unmittelbar dahinter und benachbart befindlichen zentralen Durchgang 46 zu strömen. Insbesondere kann, wie in 7 veranschaulicht, gemäß Ausführungsformen ein Überleitungskanal 44 einem Kühlmittel ermöglichen, zu und/oder von dem Vorderkantendurchgang 42 zu dem unmittelbar dahinter befindlichen zentralen Durchgang 46 zu pasieren. Die Überleitungsöffnung 44 kann eine beliebige Anzahl von diesen enthalten, die in einer radial beabstandeten Beziehung zwischen den Durchgängen 40, 42 positioniert sind. Die hierin beschriebene Spannung, die durch die Wölbungslinienrippen 62, 63, 64 an den Stellen 80 (5 und 6) hervorgerufen wird, kann dort, wo die Überleitungskanäle 44 zwischen dem Vorderkantendurchgang 42 und dem unmittelbar dahinter befindlichen zentralen Durchgang 46 eingesetzt werden, intensiver sein. Insbesondere kann dort, wo die Überleitungsdurchgänge 44 vorgesehen sind, der Lastpfad der Wölbungslinienrippen 62, 63, 64 an den Verbindungspunkten 80 (5 und 6) dort, wo die Überleitungskanäle 44 angeordnet sein würden, reagieren, was höhere Spannungen verursacht. Der Überleitungskanal (die Überleitungskanäle) 44 sind nicht notwendigerweise in allen Ausführungsformen vorhanden, obwohl sie z.B. auf die darin veranschaulichte Ausführungsform anwendbar sind; 9 zeigt ein Beispiel ohne Überleitungskanal (Überleitungskanäle) 44. Wenn ein oder mehrere Überleitungskanäle 44 vorgesehen sind, bauen die Lehren der Offenbarung jedoch eine Spannung benachbart zu diesen in der Vorderkantenquerrippe 70 und einer benachbarten Struktur ab.
Die Rippenkonfiguration enthält ferner eine Wölbungslinienrippe 63, 64, die mit einer ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 an einer Stelle 92 hinter der Vorderkantenquerrippe 70 verbunden ist, was den zentralen Durchgang 46 veranlasst, sich zu der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 hin zu erstrecken. Eine Wölbungslinienrippe 62, wie vorstehend beschrieben, ist eine der längeren Rippen, die sich gewöhnlich von einer Position in der Nähe der Vorderkante 28 des Schaufelblattes 25 zu der Hinterkante 29 hin erstrecken. Diese Rippen werden als „Wölbungslinienrippen“ bezeichnet, weil der Pfad, den sie verfolgen, ungefähr parallel zu der Wölbungslinie des Schaufelblattes 25 verläuft, die eine Referenzlinie ist, die sich zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante 29 des Schaufelblattes 25 durch eine Sammlung von Punkten erstreckt, die sich äquidistant zwischen der konkaven Druckseitenaußenwand und der konvexen Saugseitenaußenwand 27 befinden. Wie veranschaulicht, bildet die Rippenkonfiguration gemäß Ausführungsformen der Offenbarung einen aufgeweiteten Abschnitt 90, der sich zu der Außenwand (den Außenwänden) 26, 27 in der zentralen Kavität 46 hin trichterartig aufweitet. Weil mehr Kühlmittel in der Nähe der Vorderkantenquerrippe 70 und des Überleitungskanals (der Überleitungskanäle) 44 (wenn vorgesehen) strömt, wird die Belastung darin reduziert.
In einer Ausführungsform, die in den 7–9 veranschaulicht ist, enthält die Rippenkonfiguration der vorliegenden Offenbarung eine Wölbungslinienrippe, die ein welliges Profil aufweist, wie in der US-Offenlegungsschrift 2015/0184519 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. (Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck „Profil“ die Gestalt bezeichnen, die die Rippen in den Querschnittsansichten der 7–10 aufweisen.) Gemäß der vorliegenden Anmeldung enthält ein „welliges Profil“ eines, dessen Gestalt merkbar gekrümmt und sinusförmig ist, wie angezeigt. In anderen Worten ist das „wellige Profil“ eines, das ein vor und zurück verlaufendes „S“-förmiges Profil zeigt. In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 10 veranschaulicht ist, kann die Rippenkonfiguration der vorliegenden Offenbarung Wölbungslinienrippen 63, 64 enthalten, die ein nicht welliges Profil aufweisen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 7 sind gemäß einer Ausführungsform die druckseitige Wölbungslinienrippe 63 und die saugseitige Wölbungslinienrippe 64 beide mit einer jeweiligen Außenwand 26, 27 verbunden, das heißt, die ausgewählte eine Außenwand enthält beide (zwei) Außenwände. Das heißt, die druckseitige Wölbungslinienrippe 63, die sich in der Nähe der Druckseitenaußenwand 26 befindet, ist mit der Druckseitenaußenwand 26 an einer Stelle 92 hinter der Vorderkantenquellrippe 70 verbunden. Diese Rippenkonfiguration bewirkt, dass sich der zentrale Durchgang 46 in Richtung der Druckseitenaußenwand 26 mit einem ersten aufgeweiteten Bereich 90 erstreckt. Ferner ist die saugseitige Wölbungslinienrippe 64, die sich in der Nähe der Saugseitenaußenwand 27 befindet, mit der Saugseitenaußenwand 27 an einer Stelle 92 hinter der Vorderkantenquerrippe 70 verbunden. Diese Rippenanordnung bewirkt, dass sich der zentrale Durchgang 46 in Richtung der Saugseitenaußenwand 27 mit einem zweiten aufgeweiteten Bereich 90 erstreckt. Wie veranschaulicht, enthalten die aufgeweiteten Bereiche 90 gerundete Innenseiten. In einer Ausführungsform ist an einer Stelle, an der der zentrale Durchgang 46 sich zu den Außenwänden 26, 27 hin erstreckt, d.h. dort, wo die aufgeweiteten Bereiche 90 vorhanden sind, eine Weite t_f zwischen den äußersten Erstreckungen der aufgeweiteten Bereiche 90 definiert (7). An der gleichen Stelle (das heißt der Querschnittslinie, an der die Weite t_f gemessen wird) kann eine Weite zwischen den äußeren Oberflächen der Außenwände 26, 27 als t_a definiert sein. Ein Verhältnis der Weite t_f zu der Weite t_a (t_f/t_a) kann in einem Bereich von 40–70% liegen, abhängig von der gewünschten Konfiguration und der Ausführungsform der aufgeweiteten Bereiche 90, die verwendet werden. In einer alternativen Ausführungsform können die aufgeweiteten Bereiche 90 eine äußerste Erstreckung haben, die sich in einer Linie mit einer äußersten Erstreckung benachbarter Durchgänge 58, 50 relativ zu den Außenwänden 26, 27 befindet, das heißt, die Außenwände 26, 27 haben eine Dicke im Vergleich zu den jeweiligen aufgeweiteten Bereichen 90, die gleich oder nahezu gleich der Dicke von diesen in Bezug auf die entsprechenden benachbarten Durchgänge 48, 50 ist. In jeder dieser Ausführungsformen sind die Vorderkantenquerrippe 70 und die druckseitige Wölbungslinienrippe 63 beide mit der Druckseitenaußenwand 26 in einer beabstandeten Weise verbunden, und die Vorderkantenquerrippe 70 und die saugseitige Wölbungslinienrippe 64 sind beide mit der Saugseitenaußenwand 27 in einer beabstandeten Weise verbunden.
Im Unterschied hierzu ist in alternativen Ausführungsformen, wie in den 8 und 9 veranschaulicht, lediglich eine ausgewählte einzelne der Wölbungslinienrippen 63, 64 mit einer jeweiligen Außenwand 26, 27 verbunden. In 8 enthält die Wölbungslinienrippe 62 die druckseitige Wölbungslinienrippe 63, die mit der Druckseitenaußenwand 26 an einer Stelle 92 hinter der Vorderkantenquerrippe 70 verbunden ist, was den zentralen Durchgang 46 veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand 26 hin zu erstrecken. Hier sind die Vorderkantenquerrippe 70 und die druckseitige Wölbungslinienrippe 63 mit der Druckseitenaußenwand 26 in einer beabstandeten Weise verbunden, wobei jedoch die Vorderkantenquerrippe 70 und die saugseitige Wölbungslinienrippe 64 miteinander verbunden sind. Es ist nur ein einziger aufgeweiteter Bereich 90 in dieser Ausführungsform vorhanden. Im Unterschied hierzu enthält die Wölbungslinienrippe 62 in 9 eine saugseitige Wölbungslinienrippe 64, die mit der Saugseitenaußenwand 27 an einer Stelle 92 hinter der Vorderkantenquerrippe 70 verbunden ist, was den zentralen Durchgang 46 veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand 27 hin zu erstrecken. In dieser Ausführungsform sind die Vorderkantenquerrippe 70 und die saugseitige Wölbungslinienrippe 64 mit der Saugseitenaußenwand 27 in einer beabstandeten Weise verbunden, wobei jedoch die Vorderkantenquerrippe 70 und die druckseitige Wölbungslinienrippe 63 miteinander verbunden sind. Erneut ist hier nur ein einziger aufgeweiteter Bereich 90 vorhanden. Hier enthalten die aufgeweiteten Bereiche 90 wiederum gerundete Innenseiten. Ferner können die aufgeweiteten Bereiche 90 in einer Ausführungsform eine Weite t_f von einer äußersten Erstreckung eines einzelnen aufgeweiteten Bereichs 90 zu einer inneren Erstreckung der zentralen Kammer 46 aufweisen. An derselben Querschnittslinie, an der die Weite t_f gemessen wird, kann eine Weite der Außenwände 26, 27 (deren Außenoberflächen) mit t_a bezeichnet werden. Ein Verhältnis der Weite t_f zu der Weite t_a (t_f/t_a) kann in ein Bereich von 40–70% liegen, abhängig von der gewünschten Konfiguration und Ausführungsform der verwendeten aufgeweiteten Bereiche 90. In einer alternativen Ausführungsform können die aufgeweiteten Bereiche 90 eine äußerste Erstreckung aufweisen, die sich in eine Linie mit einer äußersten Erstreckung von benachbarten Durchgängen 48, 50 in Bezug auf die Außenwände 26, 27 befindet, d.h. die Außenwände 26, 27 weisen eine Dicke in Bezug auf die jeweiligen aufgeweiteten Bereiche 90 auf, die gleich oder nahezu gleich deren Dicke in Bezug auf die entsprechenden benachbarten Durchgänge 48, 50 ist. Auf einer Seite, die keine aufgeweiteten Bereiche 90 enthält, kann der benachbarte Durchgang 48 oder 50 mehr in Richtung auf die Querrippe 70 im Vergleich zu denjenigen, die in den 5 und 6 veranschaulicht sind, ausgedehnt sein. Das heißt, der benachbarte Durchgang 48 oder 50 ist nach vorne derart erweitert, dass die Querrippe 70 und ein Ende einer jeweiligen Wölbungslinienrippe 63 oder 64, die mit der Außenwand 26 oder 27 gekoppelt ist, gemeinsam eine Dicke aufweisen, die gleich oder nahezu gleich derjenigen der äußeren Rippen 60, 62, 63 ist, etc. – im Unterschied zu den dickeren Querrippen 63, 70 oder 64, 70, die in den 5 und 6 veranschaulicht sind.
10 zeigt eine alternative Ausführungsform, ähnlich 7, außer dass diese kein welliges Profil verwendet. Es sei betont, dass die Lehren der 8 und 9 auch auf die Rippenkonfigurationen, die ein nicht welliges Profil aufweisen, angewendet werden können. Ferner können die Lehren der Offenbarung auf sehr vielfältige Rippenkonfiguration angewandt werden, die den Vorderkantendurchgang 42 und den unmittelbar dahinter befindlichen zentralen Durchgang 46 aufweisen, wie hierin beschrieben.
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 wirklich 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 einer/eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen. „Optional“ oder „optionaler Weise“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand eintreten kann oder nicht und das die Beschreibung Fälle, in denen das Ereignis eintritt, sowie Fälle umfasst, in denen es nicht eintritt.
Eine Näherungssprache, wie sie hierin überall in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewandt werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die in zulässiger Weise variieren könnte, ohne dass dies eine Veränderung der Grundfunktion, mit der sie in Beziehung steht, zur Folge hat. Demgemäß soll ein Wert, der durch einen Ausdruck oder durch Ausdrücke, wie beispielsweise „etwa“, „ungefähr“ und „im Wesentlichen“, modifiziert ist, nicht auf den genauen spezifizierten Wert beschränkt sein. In wenigstens einigen Fällen kann die Näherungssprache der Präzision eines Instrumentes zur Messung des Wertes entsprechen. Hier und überall in der Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen miteinander kombiniert und/oder gegeneinander ausgetauscht werden, wobei derartige Bereiche identifiziert sind und all die Unterbereiche enthalten, die darin enthalten sind, sofern aus dem Kontext oder der Formulierung nicht was anders hervorgeht. „Ungefähr“, wie es auf einen bestimmten Wert eines Bereiches angewandt wird, gilt für beide Werte und kann, sofern es ansonsten nicht von der Präzision des den Wert messenden Instrumentes abhängig ist, +/–10% des (der) angegebenen Werte(s) anzeigen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente alle Mittel oder Schritt + Funktion-Elemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen eine beliebige Struktur, ein beliebiges Material oder eine beliebige Handlung zur Durchführung der Funktion in Kombination mit andern beanspruchten Elementen, wie sie speziell beansprucht sind, umfassen. Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist für die Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert worden, ist jedoch nicht dazu gedacht, erschöpfend oder auf die Offenbarung in der offenbarten Form beschränkt zu sein. Es werden sich viele Modifikationen und Veränderungen Fachleuten auf dem Gebiet erschließen, ohne dass von dem Umfang und Rahmen der Offenbarung abgewichen wird. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und die praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern und um andere Fachleute auf dem Gebiet zu befähigen, die Offenbarung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, wie sie für die vorgesehene besondere Verwendung geeignet sind, zu verstehen.
Eine Schaufel enthält ein Schaufelblatt 25, das durch eine Druckseitenaußenwand 26 und eine Saugseitenaußenwand 27 definiert ist, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante 28, 29 miteinander verbunden sind und eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme einer Kühlmittelströmung bilden. Eine Rippenkonfiguration kann enthalten: eine Vorderkantenquerrippe 66, die die Druckseitenaußenwand 26 und die Saugseitenaußenwand 27 verbindet und die sich radial erstreckende Kammer in einen Vorderkantendurchgang 42 innerhalb der Vorderkante 28 des Schaufelblattes 25 und einen zentralen Durchgang 40 benachbart zu dem Vorderkantendurchgang 42 unterteilt. Eine der oder beide Wölbungslinienrippen 62 sind mit einer entsprechenden Druckseitenaußenwand 26 und Saugseitenaußenwand 27 an einer Stelle 92 hinter der Vorderkantenquerrippe 66 verbunden, was den zentralen Durchgang 40 veranlasst, sich zu einer oder beiden von der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 hin zu erstrecken, was eine aufgeweitete zentrale Kavität hinter der Vorderkante 28 ergibt.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsturbine
11: Axialverdichter
12: Brennkammer
13: Turbine
14: Verdichterlaufschaufeln
15: Verdichterleitschaufeln
16: Turbinenlaufschaufeln
17: Turbinenleitschaufeln
21: Wurzel
24: Plattform
25: Schaufelblatt
26: Außenwand
27: Außenwand
28: Vorderkante
29: Hinterkante
31: außenliegende Spitze
40: Strömungsdurchgänge
42: Vorderkantendurchgang
44: Überleitungskanal
46: hinterer zentraler Durchgang
48: benachbarter Durchgang
50: benachbarter Durchgang
60: Rippen
62: Wölbungslinienrippe
63: druckseitige Wölbungslinienrippe
64: saugseitige Wölbungslinienrippe
66: Querrippe
67: Rippen
68: Rippen
69: Rippen
70: Vorderkantenquerrippe
80: Verbindungsstellen/-punkte
90: Abschnitt
92: Stelle/Punkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0184519 [0058]

Claims

Schaufel, die ein Schaufelblatt (25) aufweist, das durch eine konkave Druckseitenaußenwand (26) und eine konvexe Saugseitenaußenwand (27) definiert ist, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante (28, 29) verbunden sind und dazwischen eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme einer Strömung eines Kühlmittels bilden, wobei die Schaufel ferner aufweist: eine Rippenkonfiguration, die enthält: eine Vorderkanten(28, 29)-Querrippe (66, 70), die die Druckseitenaußenwand (26, 27) und die Saugseitenaußenwand (26, 27) verbindet und die sich radial erstreckende Kammer in einen Vorderkantendurchgang (42) innerhalb der Vorderkante (28) des Schaufelblattes (25) und einen zentralen Durchgang (40) benachbart zu dem Vorderkantendurchgang (42) unterteilt; und eine Wölbungslinienrippe (62), die mit einer ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand (26) oder der Saugseitenaußenwand (27) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkanten(28)-Querrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand (26) oder der Saugseitenaußenwand (27) hin zu erstrecken.
Schaufel nach Anspruch 1, wobei die Wölbungslinienrippe (62) enthält: eine druckseitige Wölbungslinienrippe (63), die sich in der Nähe der Druckseitenaußenwand (26) befindet und mit der Druckseitenaußenwand (26) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkantenquerrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand (26) hin zu erstrecken; und eine saugseitige Wölbungslinienrippe (64), die sich in der Nähe der Saugseitenaußenwand (27) befindet und mit der Saugseitenaußenwand (27) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkantenquerrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand (27) hin zu erstrecken.
Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckseitenaußenwand (26) und die druckseitige Wölbungslinienrippe (63) einen Druckseitenströmungsdurchgang (40) dazwischen definieren und wobei die Saugseitenaußenwand (27) und die saugseitige Wölbungslinienrippe (64) einen Saugseitenströmungsdurchgang (40) dazwischen definieren.
Schaufel nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wölbungslinienrippe (62) eine druckseitige Wölbungslinienrippe (63) enthält, die mit der Druckseitenaußenwand (26) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkanten(28)-Querrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand hin zu erstrecken.
Schaufel nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wölbungslinienrippe (62) eine saugseitige Wölbungslinienrippe (64) enthält, die mit der Saugseitenaußenwand (27) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkanten(28)-Querrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand hin zu erstrecken.
Schaufel nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorderkanten(28)-Querrippe (66) einen Überleitungskanal (40) zwischen dem Vorderkantendurchgang (42) und dem zentralen Durchgang (40) enthält.
Schaufel nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wölbungslinienrippe (62) ein welliges Profil aufweist.
Schaufel nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaufel entweder eine Turbinenlaufschaufel oder eine Turbinenleitschaufel (17) aufweist.
Turbinenlaufschaufel (16), die ein Schaufelblatt (25) aufweist, das durch eine konkave Druckseitenaußenwand (26) und eine konvexe Saugseitenaußenwand (27) definiert ist, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante (28, 29) verbunden sind und dazwischen eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme der Strömung eines Kühlmittels bilden, wobei die Turbinenlaufschaufel (16) ferner aufweist: eine Rippenkonfiguration, die enthält: eine Vorderkantenquerrippe (66), die die Druckseitenaußenwand (26) und die Saugseitenaußenwand (27) verbindet und die sich radial erstreckende Kammer in einen Vorderkantendurchgang (42) innerhalb der Vorderkante (28) des Schaufelblattes (25) und einen zentralen Durchgang (40) benachbart zu dem Vorderkantendurchgang (42) unterteilt; und eine Wölbungslinienrippe (62), die mit einer ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand (26) und der Saugseitenaußenwand (27) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkantenquerrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand (26) und der Saugseitenaußenwand (27) hin zu erstrecken.
Turbinenlaufschaufel (16) nach Anspruch 9, wobei die Wölbungslinienrippe (62) enthält: eine druckseitige Wölbungslinienrippe (63), die sich in der Nähe der Druckseitenaußenwand (26) befindet und mit der Druckseitenaußenwand (26) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkantenquerrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der Druckseitenaußenwand (26) hin zu erstrecken; und eine saugseitige Wölbungslinienrippe (64), die sich in der Nähe der Saugseitenaußenwand (27) befindet und mit der Saugseitenaußenwand (27) an einer Stelle (92) hinter der Vorderkantenquerrippe (66) verbunden ist, was den zentralen Durchgang (40) veranlasst, sich zu der Saugseitenaußenwand (27) hin zu erstrecken.