DE102017110052A1

DE102017110052A1 - Innere Rippe mit definierter konkaver Oberflächenkrümmung für ein Schaufelblatt

Info

Publication number: DE102017110052A1
Application number: DE102017110052.0A
Authority: DE
Inventors: Jacob Charles II Perry; Gregory Thomas Foster; David Wayne Weber; Michelle Jessica Iduate; Brendon James Leary
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: KR20170128139A; KR102326957B1; CN107366554A; US10053990B2; CN107366554B; US20170328220A1; JP2017203455A; JP7118597B2

Abstract

Eine innere Rippe (160) für ein Schaufelblatt (25) weist eine konkave Oberfläche (162) auf, die definiert ist, um Dauerhaltbarkeit sicherzustellen und eine gewünschte Wärmeübertragung zu erzielen. Eine konkave Oberfläche (162) ist einer Druckseiten- oder Saugseitenaußenwand (26, 27) zugewandt. Eine Weite ist zwischen einem ersten Ende (170) und einem zweiten Ende (170) definiert, und eine Tiefe ist eine Länge einer senkrechten Tiefenlinie zwischen einem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162) und einem Schnittpunkt der Tiefenlinie mit der Druckseiten- oder Saugseitenaußenwand (26, 27). Ein ungleichförmiger Bogen ist innerhalb eines Bogenwinkels definiert, der an dem Schnittpunkt zentriert ist, wobei der ungleichförmige Bogen einen ersten Bogenradius, der der Tiefe an dem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162) entspricht, und einen zweiten Bogenradius dort aufweist, wo der Bogenwinkel die konkave Oberfläche (162) schneidet, der einem Produkt aus der Tiefe und einem Formfaktor entspricht. Der Formfaktor weist eine im Wesentlichen lineare Beziehung zu dem Seitenverhältnis auf.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft Schaufelblätter und insbesondere hohle Turbinenschaufelblätter, wie beispielsweise Lauf- oder Leitschaufeln, mit inneren Kanälen zur Durchleitung von Fluiden, wie beispielsweise Luft, um die Schaufelblätter zu kühlen. Insbesondere betrifft die Offenbarung eine innere Rippe, die eine konkave Oberfläche oder Krümmung aufweist, die standardgemäß eingerichtet ist, um Haltbarkeit und gewünschte Wärmeübertragung sicherzustellen.
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 Schaufeln 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. Es sind verschiedene Rippenkonfigurationen entwickelt worden, um diese Herausforderung zu bewältigen. Insbesondere müssen Krümmungsformen von inneren Rippen optimiert sein, um Kühlung und Dauerhaltbarkeit in Einklang zu bringen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der Offenbarung ergibt eine innere Rippe für ein Schaufelblatt, wobei die innere Rippe eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme einer Strömung eines Kühlmittels innerhalb einer konkaven Druckseitenaußenwand und einer konvexen Saugseitenaußenwand, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante miteinander verbunden sind, in einen Durchgang mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche unterteilt, wobei die innere Rippe aufweist:
eine konkave Oberfläche, die einer ausgewählten einzelnen von der Druckseitenaußenwand und der Saugseitenaußenwand zugewandt ist, wobei die konkave Oberfläche definiert ist durch: eine Weite zwischen einem ersten Ende der konkaven Oberfläche und einem zweiten, gegenüberliegenden Ende der konkaven Oberfläche und eine Tiefe, die als eine Länge einer Tiefenlinie definiert ist, die sich zwischen einem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche zwischen dem ersten Ende und dem zweiten, gegenüberliegenden Ende und einem Schnittpunkt der Tiefenlinie mit der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand und der Saugseitenaußenwand erstreckt, ein Seitenverhältnis, das als die durch die Tiefe dividierte Weite definiert ist, einen ungleichförmigen Bogen, der innerhalb eines Bogenwinkels definiert ist, der an dem Schnittpunkt zentriert ist, wobei der ungleichförmige Bogen einen ersten Bogenradius, der der Tiefe an dem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche entspricht, und einen zweiten Bogenradius aufweist, wobei der Bogenwinkel die konkave Oberfläche entsprechend einem Produkt aus der Tiefe und einem Formfaktor schneidet, wobei der Formfaktor eine im Wesentlichen lineare Beziehung zu dem Seitenverhältnis aufweist, und wobei die Weite, die Tiefe, der Formfaktor und der Bogenwinkel eingerichtet sind, um den Durchgang mit der vorbestimmten Querschnittsfläche zu schaffen.
In der zuvor erwähnten inneren Rippe kann der Bogenwinkel sich über nicht weniger als 60 Grad und nicht mehr als 120 Grad, zentriert um den Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162), erstrecken.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das erste Ende der konkaven Oberfläche als ein Punkt auf der konkaven Oberfläche definiert sein, der einer von der Vorderkante und der Hinterkante am nächsten angeordnet ist, und das zweite, gegenüberliegende Ende der konkaven Oberfläche kann als ein Punkt auf der konkaven Oberfläche definiert sein, der der anderen von der Vorderkante und der Hinterkante am nächsten angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Innenrippe kann das Seitenverhältnis als eine Summe aus einem Produkt des Formfaktors mit einer Steigung und einem y-Achsenabschnitt definiert sein, wobei die Steigung ungefähr +3,29 betragen kann und der y-Achsenabschnitt in einem Bereich von –0,89 bis –1,89 liegen kann.
Ein zweiter Aspekt der Offenbarung ergibt eine innere Rippe für ein Schaufelblatt, wobei die innere Rippe eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme einer Strömung eines Kühlmittels innerhalb einer konkaven Druckseitenaußenwand und einer konvexen Saugseitenaußenwand, die entlang einer Vorder- und einer Hinterkante miteinander verbunden sind, in einen Durchgang mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche unterteilt, wobei die innere Rippe aufweist: eine konkave Oberfläche, die einer ausgewählten einzelnen von der Druckseitenaußenwand oder der Saugseitenaußenwand zugewandt ist, wobei die konkave Oberfläche definiert ist durch: eine Weite zwischen einem ersten Ende der konkaven Oberfläche und einem zweiten, gegenüberliegenden Ende der konkaven Oberfläche und eine Tiefe, die als eine Länge einer Tiefenlinie definiert ist, die sich zwischen einen Mittelpunkt der konkaven Oberfläche zwischen dem ersten Ende und dem zweiten, gegenüberliegenden Ende und einem Schnittpunkt der Tiefenlinie mit der ausgewählten einzelnen von der Druckseitenaußenwand und der Saugseitenaußenwand erstreckt, ein Seitenverhältnis, das als die Weite, dividiert durch die Tiefe, definiert ist, einen ungleichförmigen Bogen, der innerhalb eines Bogenwinkels, zentriert an dem Schnittpunkt, definiert ist, wobei der ungleichförmige Bogen einen ersten Bogenradius, der der Tiefe an dem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche entspricht, und einen zweiten Bogenradius aufweist, wobei der Bogenwinkel die konkave Oberfläche entsprechend einem Produkt aus der Tiefe und einem Formfaktor schneidet, wobei der Formfaktor eine im Wesentlichen lineare Beziehung zu dem Seitenverhältnis aufweist, wobei sich der Bogenwinkel über nicht weniger als 60 Grad und nicht mehr als 120 Grad, zentriert um den Mittelpunkt der konkaven Oberfläche herum, erstreckt, wobei das Seitenverhältnis als eine Summe aus einem Produkt des Formfaktors mit einer Steigung und einem y-Achsenabschnitt definiert ist, wobei die Steigung ungefähr +3,29 beträgt und der y-Achsenabschnitt in einem Bereich von –0,89 bis –1,89 liegt und wobei die Weite, die Tiefe, der Formfaktor und der Bogenwinkel eingerichtet sind, um den Durchgang mit der vorbestimmten Querschnittsfläche zu schaffen.
In der zuvor erwähnten inneren Rippe gemäß dem zweiten Aspekt kann das erste Ende der konkaven Oberfläche als ein Punkt auf der konkaven Oberfläche definiert sein, der einer von der Vorderkante und der Hinterkante am nächsten angeordnet ist, und das zweite, gegenüberliegende Ende der konkaven Oberfläche kann als ein Punkt auf der konkaven Oberfläche definiert sein, der der anderen von der Vorderkante oder der Hinterkante am nächsten angeordnet ist.
Die anschaulichen Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind Anordnungen, um die hierin beschriebenen Probleme und/oder andere Probleme, die nicht erläutert sind, zu lösen.
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 anschaulichen 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 schematische Darstellung einer inneren Rippe gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
8 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Seitenverhältnis und einem Formfaktor, die verwendet wird, um die innere Rippe gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu definieren.
Es sei erwähnt, dass die Zeichnungen der Offenbarung nicht 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 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 Statorschaufeln (Leitschaufeln) anwendbar sein kann. Die Verwendung von Laufschaufeln in den verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen ist lediglich 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 eine Anzahl kleinerer Überleitungskanäle 44 oder 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. Wie veranschaulicht, kann als eine Option, und wie hierin erwähnt, ein Überleitungskanal 44 einem Kühlmittel ermöglichen, zu und/oder von dem Vorderkantendurchgang 42 zu einem unmittelbar dahinter liegenden zentralen Durchgang 46 zu strömen. Die Überleitungsöffnung 44 kann eine beliebige Anzahl von diesen umfassen, die in einer radial beabstandeten Anordnung zwischen den Durchgängen 40, 42 positioniert sein können.
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 Rippenkonfigurationen 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. Eine Herausforderung bei einer Implementierung der Rippenkonfigurationen mit welligem Profil umfasst eine Identifizierung der optimierten Krümmung der Rippe, die auch eine mechanische Haltbarkeit über die Lebensdauer des Schaufelblattes 25 ergeben wird. Derzeitige Methoden umfassen eine wiederholte Modulierung der Kurven der Rippen, Analyse der Kühleffizienz und anschließende Revision der Modelle, was zeitaufwendig und kostspielig ist.
Gemäß Ausführungsform der Offenbarung wird eine innere Rippe gemäß einer Anzahl physikalischer Merkmale von dieser konfiguriert, um die Rippenkrümmung für eine gewünschte Kühleffizienz und mechanische Haltbarkeit zu optimieren. Eine innere Rippe mit den hierin beschriebenen charakteristischen Eigenschaften reduziert deutlich die Konstruktions- und Entwurfszykluszeit, während gewünschte Rippen- und Durchgangsformen erzeugt werden, die Anforderungen an die Kühlung und mechanische Lebensdauer erfüllen.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer inneren Rippe 160 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Die innere Rippe 160 kann eine beliebige Rippe (z.B. 60, 62, 66, etc.) sein, wie sie hierin beschrieben ist und die die sich radial erstreckende Kammer unterteilt, um eine Strömung eines Kühlmittels innerhalb einer konkaven Druckseitenaußenwand 26 oder konvexen Saugseitenaußenwand 27 aufzunehmen. Wie beschrieben, sind die Außenwände 26, 27 entlang der Vorderkante 28 (5–6) und der Hinterkante 29 (5–6) miteinander verbunden. Die innere Rippe 160 unterteilt die sich radial erstreckende Kammer in Durchgänge bzw. Kanäle 40 (z.B. 6), die eine vorbestimmte Querschnittfläche aufweisen. Die Querschnittsfläche jedes Durchgangs 140 kann in einer beliebigen heutzutage bekannten oder künftig entwickelten Weise bestimmt werden. Zum Beispiel können eine Länge einer Außenwand 26, 27 für ein bestimmtes Schaufelblatt 25 identifiziert und die Anzahl von Durchgängen 140, die entlang jeder Wand vorzusehen sind, ausgewählt werden, zum Beispiel 4–7. Zusätzlich kann das Durchflussvolumen eines Kühlmittels durch diese hindurch (in die Seite hinein oder aus dieser heraus), das gewünscht ist, um die erforderliche Wärmeübertragung an der Stelle jedes Durchgangs 140 zu erzielen, in einer herkömmlichen Weise berechnet werden, damit es zu der gewünschten vorbestimmten Querschnittsfläche für jeden Durchgang 140 führt.
Die Rippe 160 enthält eine konkave Oberfläche 162, die einer ausgewählten einzelnen von der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 zugewandt ist. Gemäß Ausführungsformen der Offenbarung ist die konkave Oberfläche 162 definiert, um die gewünschte vorbestimmte Querschnittsfläche des Durchgangs 140 und Haltbarkeit der Rippe 160 sicherzustellen. Insbesondere weist die konkave Oberfläche 162 eine Anzahl physikalischer Merkmale oder Eigenschaften auf, die festgelegt sind, um sicherzustellen, dass die Rippe 160, die den Durchgang 140 von einer vorbestimmten Querschnittsfläche bildet, dauerhaft ist. Da die Gestalt der konkaven Oberfläche 162 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung in der gleichen Weise eingerichtet ist, unabhängig davon, ob sie auf die Druckseitenaußenwand 26 oder die Saugseitenaußenwand 27 angewandt wird, werden diese gemeinsam als Außenwand 26, 27 in 7 bezeichnet.
Als eine anfängliche Maßnahme, um die momentanen Ausführungsformen deutlich zu beschreiben, wird es erforderlich, eine bestimmte Terminologie zu wählen, wenn auf physikalische Merkmale der konkaven Oberfläche 162 Bezug genommen wird und diese beschrieben werden. Zu diesem Zweck werden die folgenden Definitionen mit Bezug auf die konkave Oberfläche 162 angewandt: Eine „Weite“ W ist als ein Abstand zwischen einem ersten Ende 170 der konkaven Oberfläche 162 und einem zweiten, gegenüberliegenden Ende 172 der konkaven Oberfläche 162 definiert. Ein „erstes Ende“ 170 und ein „zweites, gegenüberliegendes Ende“ 172 können als jeweilige Punkte auf der konkaven Oberfläche 162, die der Vorderkante 28 oder der Hinterkante 29 am nächsten angeordnet sind, abhängig von der Perspektive des Betrachters, definiert sein. Das heißt, das erste Ende 170 der konkaven Oberfläche 162 ist als ein Punkt 174 auf der konkaven Oberfläche 162 definiert, der einer von der Vorderkante 28 (6) und der Hinterkante 29 (6) am nächsten angeordnet ist, und das zweite, gegenüberliegende Ende 172 der konkaven Oberfläche 162 ist als ein Punkt 176 auf der konkaven Oberfläche 162 definiert, der der andern von der Vorderkante 28 (6) und der Hinterkante 29 (6) am nächsten angeordnet ist. Diese Punkte 174, 176 können Stellen sein, an denen die konkave Oberfläche 162 aufhört, in der hierin beschriebenen Weise definiert zu sein, und zu einer anderen Krümmung übergeht, was heißt, dass sich die Oberfläche hinreichend wendet, um sich in einer konvexen Weise, mit einem andern Radius, zu der Wand 26, 27 hin zu erstrecken, wobei dies nicht unter allen Umständen der Fall ist. Eine „Tiefe“ D ist als eine Länge einer Tiefenlinie DL definiert, die sich zwischen einem Mittelpunkt M der konkaven Oberfläche 162 zwischen dem ersten Ende 170 und dem zweiten, gegenüberliegenden Ende 172 und einem Schnittpunkt IP der Tiefenlinie DL mit der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 erstreckt. Die Tiefenlinie DL verläuft senkrecht zu der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand 26 und der Saugseitenaußenwand 27 an dem Schnittpunkt IP. Ein „Seitenverhältnis“ ist als die durch die Tiefe D dividierte Weite W definiert.
Die konkave Oberfläche 162 enthält einen ungleichförmigen Bogen, der ein Bogen ist, der keinen gleichmäßigen Krümmungsradius aufweist. In Ausführungsformen der Offenbarung ist ein Bogenwinkel α an dem Schnittpunkt IP zentriert. Für ein bestimmtes Schaufelblatt 25 (6) kann ein Bogenwinkel α ausgewählt und aufrechterhalten werden. In einer Ausführungsform kann der Bogenwinkel α nicht kleiner als 60 Grad sein und nicht mehr als 120 Grad betragen und ist in jedem Fall an der Tiefenlinie DL zentriert. In dem veranschaulichten Beispiel beträgt der Bogenwinkel α ungefähr 90 Grad. In einem anderen Beispiel kann der Bogenwinkel α ungefähr 45 Grad betragen. Der ungleichförmige Bogen der konkaven Oberfläche 162 ist in einem Aspekt derart definiert, dass er einen ersten Bogenradius R1 aufweist, der der Tiefe D an dem Mittelpunkt M der konkaven Oberfläche 162 entspricht. In einem andern Aspekt weist der ungleichförmige Bogen einen zweiten Bogenradius R2 auf, wobei der Bogenwinkel α die konkave Oberfläche 162 schneidet. Der zweite Bogenradius R2 entspricht einem Produkt aus der Tiefe D und einem Formfaktor SF.
Gemäß Ausführungsformen der Offenbarung weist der Formfaktor SF eine im Wesentlichen lineare Beziehung zu dem Seitenverhältnis auf. Auf diese Weise steigt der Formfaktor SF ebenso, wenn das Seitenverhältnis eines Durchgangs 140 steigt, d.h., dieses weniger tief (die Tiefe D nimmt ab) und weiter wird (die Weite W steigt), was eine Vergrößerung einer Bandbreite des ungleichförmigen Bogens der konkaven Oberfläche 162 erzwingt. Die erhöhte Bandbreite des ungleichförmigen Bogens der konkaven Oberfläche 162 verleiht der Rippe 160 mehr Flexibilität und somit Haltbarkeit, weil die Rippe 160 in ihrer Mitte weniger gerundet und an dem zweiten Bogenradius R2, d.h. dort, wo der Bogenwinkel α die konkave Oberfläche 162 schneidet, mehr gerundet wird. Indes sind die Weite W, die Tiefe D, der Formfaktor SF und der Bogenwinkel α eingerichtet, um den Durchgang 140 mit der vorbestimmten Querschnittsfläche zu schaffen, der die gewünschte Wärmeübertragung aufrechterhält. Das heißt, die Weite W, die Tiefe D, der Formfaktor SF und der Bogenwinkel α können zum Beispiel in einem herkömmlichen Iterationsprozess ausgewählt werden, um unter Verwendung einer konkaven Oberfläche 162, die in der hierin beschriebenen Weise gestaltet ist, die vorbestimmte Querschnittsfläche bereitzustellen.
In Bezug auf die im Wesentlichen lineare Beziehung kann das Seitenverhältnis als eine Summe aus einem Produkt des Formfaktors SF mit einer Steigung und einem y-Achsenabschnitt definiert sein. In einer Ausführungsform kann die Steigung ungefähr +3,29 betragen, und der y-Achsenabschnitt kann –1,39 betragen, wobei der y-Achsenabschnitt einen Bereich von +/–0,5 aufweist, d.h., der y-Achsenabschnitt kann von –0,89 bis –1,89 reichen. An sich ist die Relativierung „im Wesentlichen“ derart definiert, wie sie durch die dargebotenen Bereiche vorausgesetzt wird. 8 zeigt eine grafische Darstellung einer einzelnen anschaulichen Beziehung zwischen dem Seitenverhältnis (AR, aspect ratio) und dem Formfaktor (SF, shape factor). Das Seitenverhältnis befindet sich auf der Y-Achse und der Formfaktor befindet sich auf der X-Achse. Hier liefert eine Ausgleichsgerade (eine Mittelwertlinie) eine Steigung von +3,29 und einen y-Achsenschnittpunkt von –1,39. Die oberste Linie weist einen y-Achsenschnittpunkt von –0,89 auf, und die unterste Linie weist einen y-Achsenschnittpunkt von –1,89 auf, und diese zeigen somit die Variation der im Wesentlichen linearen Beziehung anhand des y-Achsenschnittpunktes an.
Jeder Durchgang 140 im Innern des Schaufelblattes 26 kann eine konkave Oberfläche 162 aufweisen, wie sie hierin definiert ist, jedoch mit einer andern Weite W, die durch die gewünschte Anzahl von Durchgängen 140 für eine Außenwand 26, 27 und die gewünschte Wärmeübertragung, d.h. die gewünschte vorbestimmte Querschnittsfläche, bestimmt ist. Sobald die konkave Oberfläche 162 definiert ist, können Kurven von der konkaven Oberfläche 162 zu der Außenwand 26, 27 unter Verwendung jeglicher heutzutage bekannter oder künftig entwickelter Lösung definiert werden.
Ausführungsformen der Offenbarung standardisieren die Gestalt der inneren Rippe 160 in einer derartigen Weise, dass optimierte Durchgangsformen in einer kurzen Konstruktionszykluszeit, aber mit der gewünschten Wärmeübertragung und Haltbarkeit, implementiert werden. Die Konfiguration der inneren Rippe 160, wie sie hierin beschrieben ist, kann auf die tatsächliche endbearbeitete Rippe oder auf einen Gusskern anwendbar sein.
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 innere Rippe 160 für ein Schaufelblatt 25 weist eine konkave Oberfläche 162 auf, die definiert ist, um Dauerhaltbarkeit sicherzustellen und eine gewünschte Wärmeübertragung zu erzielen. Eine konkave Oberfläche 162 ist einer Druckseiten- oder Saugseitenaußenwand 26, 27 zugewandt. Eine Weite ist zwischen einem ersten Ende 170 und einem zweiten Ende 170 definiert, und eine Tiefe ist eine Länge einer senkrechten Tiefenlinie zwischen einem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche 162 und einem Schnittpunkt der Tiefenlinie mit der Druckseiten- oder Saugseitenaußenwand 26, 27. Ein ungleichförmiger Bogen ist innerhalb eines Bogenwinkels definiert, der an dem Schnittpunkt zentriert ist, wobei der ungleichförmige Bogen einen ersten Bogenradius, der der Tiefe an dem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche 162 entspricht, und einen zweiten Bogenradius dort aufweist, wo der Bogenwinkel die konkave Oberfläche 162 schneidet, der einem Produkt aus der Tiefe und einem Formfaktor entspricht. Der Formfaktor weist eine im Wesentlichen lineare Beziehung zu dem Seitenverhältnis auf.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsturbine
11: Axialverdichter
12: Brennkammer
13: Turbine
14: Verdichterlaufschaufeln
15: Verdichterleitschaufeln
16: Turbinenlaufschaufeln
17: Turbinenleitschaufeln
21: Wurzel
24: Plattform
25: Schaufelblatt
26: Seitenwand/Außenwand
27: Seitenwand/Außenwand
28: Vorderkante
29: Hinterkante
31: außenliegende Spitze
40: Durchgang
42: Durchgang
44: Überleitungskanal
46: hinterer zentraler Durchgang
60: Rippen
62: Wölbungslinienrippen
63: Wölbungslinienrippe
64: Wölbungslinienrippe
66: Querrippe
67: Querrippen
68: Querrippen
69: Querrippen
70: randseitige Querrippe
140: Durchgang
160: innere Rippe
162: konkave Oberfläche
170: erstes Ende
172: Ende
174: Punkt
176: Punkt

Claims

Innere Rippe (160) für ein Schaufelblatt (25), wobei die innere Rippe (160) eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme einer Strömung eines Kühlmittels innerhalb einer konkaven Druckseitenaußenwand (26, 27) und einer konvexen Saugseitenaußenwand (26, 27), die entlang einer Vorderund einer Hinterkante (28, 29) miteinander verbunden sind, in einen Durchgang (40) mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche unterteilt, wobei die innere Rippe (160) aufweist: eine konkave Oberfläche (162), die einer ausgewählten von der Druckseitenaußenwand (26, 27) und der Saugseitenaußenwand (26, 27) zugewandt ist, wobei die konkave Oberfläche (162) definiert ist durch: eine Weite zwischen einem ersten Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) und einem zweiten, gegenüberliegenden Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) und eine Tiefe, die als eine Länge einer Tiefenlinie definiert ist, die sich zwischen einem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162) zwischen dem ersten Ende (172) und dem zweiten, gegenüberliegenden Ende (172) und einem Schnittpunkt (174, 176) der Tiefenlinie mit der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand (26, 27) und der Saugseitenaußenwand (26, 27) erstreckt, ein Seitenverhältnis, das als die durch die Tiefe dividierte Weite definiert ist, einen ungleichförmigen Bogen, der innerhalb eines Bogenwinkels definiert ist, der an dem Schnittpunkt (174, 176) zentriert ist, wobei der ungleichförmige Bogen einen ersten Bogenradius, der der Tiefe an dem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162) entspricht, und einen zweiten Bogenradius dort, wo der Bogenwinkel die konkave Oberfläche (162) schneidet, aufweist, der einem Produkt aus der Tiefe und einem Formfaktor entspricht, wobei der Formfaktor eine im Wesentlichen lineare Beziehung zu dem Seitenverhältnis aufweist, und wobei die Weite, die Tiefe, der Formfaktor und der Bogenwinkel eingerichtet sind, um den Durchgang (40) mit der vorbestimmten Querschnittsfläche zu schaffen.
Innere Rippe (160) nach Anspruch 1, wobei sich der Bogenwinkel über nicht weniger als 60 Grad und nicht mehr als 120 Grad, zentriert um den Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162), erstreckt.
Innere Rippe (160) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) als ein Punkt (174, 176) auf der konkaven Oberfläche (162) definiert ist, der einer von der Vorderkante (28) und der Hinterkante (29) am nächsten angeordnet ist, und das zweite, gegenüberliegende Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) als ein Punkt (174, 176) auf der konkaven Oberfläche (162) definiert ist, der der andern von der Vorderkante (28) und der Hinterkante (29) am nächsten angeordnet ist.
Innere Rippe (160) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Seitenverhältnis als eine Summe aus einem Produkt aus dem Formfaktor und einer Steigung und einem y-Achsenschnittpunkt definiert ist, wobei die Steigung ungefähr +3,29 beträgt und der y-Achsenschnittpunkt in einem Bereich von –0,89 bis –1,89 liegt.
Innere Rippe (160) für ein Schaufelblatt (25), wobei die innere Rippe (160) eine sich radial erstreckende Kammer zur Aufnahme einer Strömung eines Kühlmittels innerhalb einer konkaven Druckseitenaußenwand (26, 27) und einer konvexen Saugseitenaußenwand (26, 27), die entlang einer Vorderund einer Hinterkante (28, 29) verbunden sind, in einen Durchgang (40) unterteilt, der eine vorbestimmte Querschnittsfläche aufweist, wobei die innere Rippe (160) aufweist: eine konkave Oberfläche (162), die einer ausgewählten von der Druckseitenaußenwand (26, 27) und der Saugseitenaußenwand (26, 27) zugewandt ist, wobei die konkave Oberfläche (162) definiert ist durch: eine Weite zwischen einem ersten Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) und einem zweiten, gegenüberliegenden Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) und eine Tiefe, die als eine Länge einer Tiefenlinie definiert ist, die sich zwischen einem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162) zwischen dem ersten Ende (172) und dem zweiten, gegenüberliegenden Ende (172) und einem Schnittpunkt (174, 176) der Tiefenlinie mit der ausgewählten einen von der Druckseitenaußenwand (26, 27) und der Saugseitenaußenwand (26, 27) erstreckt, ein Seitenverhältnis, das als die durch die Tiefe dividierte Weite definiert ist, einen ungleichförmigen Bogen, der innerhalb eines Bogenwinkels definiert ist, der an dem Schnittpunkt (174, 176) zentriert ist, wobei der ungleichförmige Bogen einen ersten Bogenradius, der der Tiefe an dem Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162) entspricht, und einen zweiten Bogenradius dort, wo der Bogenwinkel die konkave Oberfläche (162) schneidet, aufweist, der einem Produkt aus der Tiefe und einem Formfaktor entspricht, wobei der Formfaktor eine im Wesentlichen lineare Beziehung zu dem Seitenverhältnis aufweist, wobei sich der Bogenwinkel über nicht weniger als 60 Grad und nicht mehr als 120 Grad, zentriert um den Mittelpunkt der konkaven Oberfläche (162), erstreckt, wobei das Seitenverhältnis als eine Summe aus einem Produkt des Formfaktors mit einer Steigung und einem y-Achsenabschnitt definiert ist, wobei die Steigung ungefähr +3,29 beträgt und der y-Achsenabschnitt in einem Bereich von –0,89 bis –1,89 liegt, und wobei die Weite, die Tiefe, der Formfaktor und der Bogenwinkel eingerichtet sind, um den Durchgang (40) mit der vorbestimmten Querschnittsfläche zu schaffen.
Innere Rippe (160) nach Anspruch 5, wobei das erste Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) als ein Punkt (174, 176) auf der konkaven Oberfläche (162), der einer von der Vorderkante (28) und der Hinterkante (29) am nächsten angeordnet ist, definiert ist und das zweite, gegenüberliegende Ende (172) der konkaven Oberfläche (162) als ein Punkt (174, 176) auf der konkaven Oberfläche (162), der der anderen von der Vorderkante (28) und der Hinterkante (29) am nächsten angeordnet ist, definiert ist.