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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Turbomaschinen. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand die Wärmeübertragung in Turbomaschinen, wie bspw. Gasturbinen.
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Gasturbomaschinen (oder Turbinensysteme) enthalten im Allgemeinen einen Verdichterabschnitt, einen mit dem Verdichterabschnitt gekoppelten Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt, der mit dem Brennkammerabschnitt gekoppelt ist. Der Verdichter setzt Luft unter Druck, und diese Luft wird in dem Brennkammerabschnitt mit einem Brennstoff vermischt und verbrannt, wodurch Energie zugefügt wird, um Luft zu expandieren und eine Luftströmung in den Turbinenabschnitt hinein zu beschleunigen. Heißes Verbrennungsgas, das aus dem Brennkammerabschnitt austritt, strömt zu dem Turbinenabschnitt und überträgt die kinetische Energie auf die Laufschaufeln und zugehörige Welle, um mechanische Arbeit zu verrichten.
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Der Turbinenabschnitt der Gasturbine enthält alternierende Reihen von (stationären) Turbinenleitschaufeln und (dynamischen) Turbinenlaufschaufeln. Die Leitschaufeln und die Laufschaufeln enthalten wenigstens eine Plattform und ein Schaufelblatt, das sich von der Plattform aus (oder zwischen Plattformen) erstreckt. Der Turbinenabschnitt, einschließlich seiner Komponenten, ist ausgelegt, um der hohen Temperatur und dem hohen Druck, die mit dem Verbrennungsgas verbunden sind, das von dem Brennkammerabschnitt durch den Turbinenabschnitt strömt, zu widerstehen. Jedoch sind herkömmliche Mechanismen zur Kühlung der Leitschaufeln und der Laufschaufeln unzureichend, und sie können zu unnötiger Instandhaltung, unnötigem Austausch von Teilen und unnötiger Stillstandszeit führen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Verschiedene Aspekte umfassen eine Turbomaschinenkomponente gemeinsam mit einer Turbomaschine und einem zugehörigen Speichermedium. In einigen Fällen enthält die Turbomaschinenkomponente: einen Körper, der eine innere Kavität definiert, wobei der Körper eine Außenfläche und eine der Außenfläche gegenüberliegende Innenfläche aufweist, wobei die Innenfläche der inneren Kavität zugewandt ist; und eine Halterung, die mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt ist, wobei die Halterung enthält: ein Prallblech, das mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt und von dieser getrennt ist, wobei das Prallblech einen Satz Öffnungen enthält, die eingerichtet sind, um einen Durchfluss eines Wärmeübertragungsfluids durch diese zu gestatten, damit er mit der Innenfläche des Körpers in Kontakt zu tritt; und einen Rückgewinnungskanal, der mit dem Prallblech zur Rückgewinnung des Wärmeübertragungsfluids verbunden ist.
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Ein erster Aspekt der Offenbarung enthält eine Turbomaschinenkomponente, die aufweist: einen Körper, der eine innere Kavität definiert, wobei der Körper eine Außenfläche und eine der Außenfläche gegenüberliegende Innenfläche aufweist, wobei die Innenfläche der inneren Kavität zugewandt ist; und eine Halterung, die mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt ist, wobei die Halterung enthält: ein Prallblech, das mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt und von dieser getrennt ist, wobei das Prallblech einen Satz Öffnungen enthält, die eingerichtet sind, um einem Durchfluss eines Wärmeübertragungsfluids durch diese zu gestatten, mit der Innenfläche des Körpers in Kontakt zu treten; und einen Rückgewinnungskanal, der mit dem Prallblech zur Rückgewinnung des Wärmeübertragungsfluids verbunden ist.
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Die zuvor erwähnte Turbomaschinenkomponente kann ferner einen Satz Verbindungsteile aufweisen, die sich zwischen der Innnfläche und der Halterung erstrecken.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Körper einen Abschnitt eines Schaufelblattes oder einer Plattform definieren.
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In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschinenkomponente können die Halterung und die Innenfläche einen Wärmeübertragungsbereich dazwischen definieren, wobei der Körper wenigstens eine Filmkühlöffnung, die sich durch diesen hindurch erstreckt, enthalten kann.
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Zusätzlich kann der Rückgewinnungskanal vorzugsweise benachbart zu dem Prallblech vorgesehen und mit dem Wärmeübertragungsbereich strömungsmäßig gekoppelt sein.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschinenkomponente kann der Satz Öffnungen in dem Prallblech gemessen sein, um das Wärmeübertragungsfluids in Richtung des Rückgewinnungskanals zu lenken.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschinenkomponente kann die Halterung ferner eine Rückenstütze enthalten, die das Prallblech und den Rückgewinnungskanals miteinander verbindet.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschinenkomponente kann der Körper eine primäre Achse aufweisen, und der Rückgewinnungskanal kann sich entlang der primären Achse über eine größere Länge als das Prallblech erstrecken.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Satz Öffnungen wenigstens zwei Öffnungen mit unterschiedlichen primären Achsen in Bezug aufeinander, gemessen relativ zu der Innenfläche, enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann eine beliebige vorstehend erwähnte Turbomaschinenkomponente ferner eine Wärmeschutzbeschichtung (TBC) entlang der Außenfläche des Körpers und eine Haftvermittlerschicht entlang der Außenfläche des Körpers zwischen der TBC und der Außenfläche aufweisen.
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Ein zweiter Aspekt der Offenbarung enthält eine Turbomaschine, die aufweist: einen Verdichterabschnitt; einen mit dem Verdichterabschnitt gekoppelten Brennkammerabschnitt; und einen Turbinenabschnitt, der mit dem Brennkammerabschnitt gekoppelt ist, wobei der Turbinenabschnitt wenigstens eine Turbomaschinenkomponente enthält, die aufweist: einen Körper, der eine innere Kavität definiert, wobei der Körper eine Außenfläche und eine der Außenfläche gegenüberliegende Innenfläche aufweist, wobei die Innenfläche der inneren Kavität zugewandt ist; und eine Halterung, die mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt ist, wobei die Halterung enthält: ein Prallblech, das mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt und von dieser getrennt ist, wobei das Prallblech einen Satz Öffnungen enthält, die eingerichtet sind, um einen Durchfluss eines Wärmeübertragungsfluids durch diese zu gestatten, um mit der Innenfläche des Körpers in Kontakt zu treten; und einen Rückgewinnungskanal, der mit dem Prallblech zur Rückgewinnung des Wärmeübertragungsfluids verbunden ist.
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Die zuvor erwähnte Turbomaschine kann ferner einen Satz Verbindungsteile aufweisen, die sich zwischen der Innenfläche und der Halterung erstrecken.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Körper einen Abschnitt eines Schaufelblattes oder einer Plattform definieren.
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Ferner können die Halterung und die Innenfläche einen Wärmeübertragungsbereich zwischeneinander definieren, wobei der Rückgewinnungskanal sich benachbart zu dem Prallblech befinden und mit dem Wärmeübertragungsbereich strömungsmäßig verbunden sein kann und wobei der Körper wenigstens eine Filmkühlöffnung, die sich durch diesen hindurch erstreckt, enthalten kann.
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Noch weiter kann der Satz Öffnungen in dem Prallblech bemessen sein, um das Wärmeübertragungsfluid in Richtung auf den Rückgewinnungskanal zu leiten.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschine kann die Halterung ferner eine Rückenstütze enthalten, die das Prallblech und den Rückgewinnungskanal miteinander verbindet.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschine kann der Körper eine primäre Achse aufweisen, wobei der Rückgewinnungskanal sich über eine größere Länge als das Prallblech entlang der primären Achse erstrecken kann.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschine kann der Satz Öffnungen wenigstens zwei Öffnungen mit unterschiedlichen primären Achsen in Bezug aufeinander, gemessen relativ zu der Innenfläche, enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann eine beliebige vorstehend erwähnte Turbomaschine ferner eine Wärmeschutzbeschichtung (TBC) entlang der Außenfläche des Körpers und eine Haftvermittlerschicht entlang der Außenfläche des Körpers zwischen der TBC und der Außenfläche aufweisen.
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Ein dritter Aspekt der Offenbarung enthält ein nicht transitorisches computerlesbares Speichermedium, das einen Code speichert, der eine Turbomaschinenkomponente repräsentiert, wobei die Turbomaschinenkomponente bei einer Ausführung des Codes durch ein computergestütztes additives Fertigungssystem physisch erzeugt wird, wobei der Code enthält: einen Körper, der eine innere Kavität definiert, wobei der Körper eine Außenfläche und eine der Außenfläche gegenüberliegende Innenfläche aufweist, wobei die Innenfläche der inneren Kavität zugewandt ist; und eine Halterung, die mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt ist, wobei die Halterung enthält: ein Prallblech, das mit der Innenfläche des Körpers gekoppelt und von dieser getrennt ist, wobei das Prallblech einen Satz Öffnungen enthält, die eingerichtet sind, um einem Durchfluss eines Wärmeübertragungsfluids durch diese hindurch zu gestatten, mit der Innenfläche des Körpers in Kontakt zu treten; und einen Rückgewinnungskanal, der mit dem Prallblech zur Rückgewinnung des Wärmeübertragungsfluids verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verstanden, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, in denen:
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1 zeigt eine längsgeschnittene schematische Teilansicht eines Turbomaschinensystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung.
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2 zeigt eine geschnittene Großdarstellung eines Abschnitts des Turbinenabschnitts des Turbomaschinensystems nach 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Turbomaschinenkomponente gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung.
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4 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Abschnitts der Turbomaschinenkomponente nach 3 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung.
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5 veranschaulicht eine schematische Perspektivansicht eines weiteren Abschnitts der Turbomaschinenkomponente nach 3 und 4 von einer inneren Perspektive aus.
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6 zeigt ein Blockdiagramm eines additiven Fertigungsprozesses, der ein nicht transitorisches computerlesbares Speichermedium enthält, das einen Code speichert, der eine Schablone bzw. Vorlage repräsentiert, gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
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Es sei erwähnt, dass die Zeichnungen von der Erfindung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung darstellen und sollten folglich nicht in einem den Schlussumfang der Erfindung beschränkenden Sinne betrachtet werden. In den Zeichnungen repräsentieren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente zwischen den Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Turbomaschinen. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand die Wärmeübertragung in Turbomaschinen, wie etwa Gasturbinen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung enthalten die hierin offenbarten Turbomaschinenkomponenten im Unterschied zu herkömmlichen Turbomaschinenteilen ein inneres Prallblech und einen entsprechenden Rückgewinnungskanal für eine effektive Wärmeübertragung von diesen (z.B. Kühlung dieser) Komponenten. Die hierin offenbarten Komponenten können in einer Wärmeübertragungskonfiguration (z.B. Kühlkonfiguration) mit geschlossenen Kreislauf verwendet werden, wodurch ein Wärmeübertragungsfluids durch einen inneren Teil des Komponentenkörpers umgewälzt und über den Rückgewinnungskanal rückgewonnen wird, um in dem weiteren Turbomaschinensystem, z.B. stromaufwärts des Brennkammerabschnitts, verwendet zu werden.
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1 zeigt eine ausschnittsweise längsgeschnittene schematische Ansicht eines Turbomaschinensystems (oder einfach einer Turbomaschine) 100 (z.B. einer Gasturbomaschine oder einer Gasturbine) gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Turbomaschinensystem 100 enthält einen Verdichterabschnitt 102 und einen Brennkammerabschnitt 104, der mit dem Verdichterabschnitt 102 gekoppelt ist. Der Brennkammerabschnitt 104 enthält einen Verbrennungsbereich 105 und eine Brennstoffdüsenanordnung 106. Das Turbomaschinensystem 100 enthält ferner einen Turbinenabschnitt 108 (z.B. einen Gasturbinenabschnitt), der mit dem Brennkammerabschnitt 104 gekoppelt ist, und eine gemeinsame Verdichter-/Turbinenwelle 110 (die manchmal als ein Rotor 110 bezeichnet wird).
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Im Betrieb strömt Luft durch den Verdichterabschnitt 102, und Druckluft wird zu dem Brennkammerabschnitt 104 geliefert. Insbesondere wird die Druckluft zu der Brennstoffdüsenanordnung 106 geliefert, die integraler Bestandteil des Brennkammerabschnitts 104 ist. Die Brennstoffdüsenanordnung 106 steht mit dem Verbrennungsbereich 105 in Strömungsverbindung, so dass ein Fluid zwischen diesen Bereichen strömen kann. Die Brennstoffdüsenanordnung 106 steht ferner mit einer (in 1 nicht veranschaulichten) Brennstoffquelle in Strömungsverbindung und leitet Brennstoff und Luft zu dem Verbrennungsbereich 105. Der Brennkammerabschnitt 104 zündet und verbrennt den Brennstoff. Der Brennkammerabschnitt 104 steht mit dem Turbinenabschnitt 108 in Strömungsverbindung, für den Wärmeenergie des Gasstroms in mechanische Drehenergie umgewandelt wird. Der Turbinenabschnitt 108 kann mit dem Rotor 110 drehfest gekoppelt sein und diesen antreiben. Der Verdichterabschnitt 102 kann ebenfalls mit der Welle 110 drehfest gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen enthält das Turbomaschinensystem 100 mehrere Brennkammern 104 und Brennstoffdüsenanordnung 106. In der folgenden Beschreibung wird, sofern nichts anderes angegeben ist, lediglich eine einzelne von jeder Komponente erläutert.
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2 zeigt eine geschnittene Großdarstellung eines Abschnitts des Turbinenabschnitts 108 des Turbomaschinensystems 100 nach 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. In 2 ist ein dreistufiger Leitapparat lediglich für veranschaulichende Zwecke gezeigt, und es wird verstanden, dass Systeme mit einer beliebigen Anzahl von Leitapparatstufen von den verschiedenen Lehren der Offenbarung profitieren können. Wie veranschaulicht, kann der Turbinenabschnitt 108 eine Turbomaschinenkomponente 107 enthalten, die in einigen Fällen einen Leitapparat 109 enthalten kann. Der Leitapparat 109 kann ein (auch als Leitschaufel bezeichnetes) Schaufelblatt 112, eine radial äußere Plattform 114, die an das/mit dem Schaufelblatt 112 gekoppelt (z.B. geschweißt, gelötet, integral gegossen, additiv gefertigt) ist, und eine radial innere Plattform 116 enthalten, die an das/mit dem Schaufelblatt 112 gekoppelt (z.B. verschweißt, verlötet, integral gegossen, additiv gefertigt) ist. Die Plattformen 112, 114 können helfen, den Leitapparat 109 innerhalb des Turbinenabschnitts 108 zurückzuhalten. Es wird verstanden, dass diese Turbomaschinenkomponente 107 gemäß verschiedenen Ausführungsformen auch eine Turbomaschinenlaufschaufel 118, wie bspw. eine dynamische Gasturbomaschinenlaufschaufel, enthalten kann. Die Laufschaufel 118 kann eine Schaufel 120, eine mit der Schaufel 120 gekoppelte Basis 122 und einen Rotorkörper 124 enthalten und kann ein Deckband 126 zur Abdichtung benachbarter Stufen von Laufschaufeln 118 und Leitapparaten 109 enthalten. In einigen Fällen kann die Turbomaschinenkomponente 107 einen Teil einer Laufschaufel 118 oder eines Leitapparates 109, wie bspw. eine Plattform 114, 116, eine Basis 122, ein Deckband 126, ein Schaufelblatt 112 und/oder eine Schaufel 120 enthalten. Es wird verstanden, dass die Turbomaschinenkomponente 107 gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine beliebige Komponente innerhalb eines Turbomaschinensystem 100, z.B. eine Brennkammerauskleidung, ein Übergangsstück und/oder einen Mantel, enthalten kann.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Turbomaschinenkomponente 107 (z.B. eines Schaufelblatts 112 oder einer Schaufel 120) gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In einigen Fällen, in denen die Komponente 107 ein Schaufelblatt 112 oder eine Schaufel 120 enthält, kann die Seitenansicht nach 3 von einer weggeschnittenen Perspektive aus von der Plattform 114, 116 oder der Basis 122 oder dem Deckband 126 gesehen werden. 4 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Abschnitts der Turbomaschinenkomponente 107, während 5 eine schematische Perspektivansicht eines weiteren Abschnitts der Turbomaschinenkomponente 107 von einer inneren Perspektive aus veranschaulicht.
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Mit Bezug auf die 3–5 kann die Turbomaschinenkomponente 107 einen Körper (z.B. einen Schaufelblattkörper oder Schaufelkörper) 130 enthalten, der eine innere Kavität 132 (z.B. im Inneren des Schaufelblattkörpers oder des Schaufelkörpers) definiert. Der Körper 130 kann eine Außenfläche 134 und eine Innenfläche 136, die der Außenfläche 134 gegenüberliegt, enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Körper 130 einen Abschnitt eines Schaufelblattes 112 (oder einer Schaufel 120) oder einer Plattform 114, 116 (oder der Basis 122 oder des Deckbandes 126) definieren. Wie in der weggeschnittenen Ansicht in 5 veranschaulicht, kann die innere Kavität 132 durch den Körper 130 im Wesentlichen umhüllt sein, so dass die innere Kavität 132 von der Außenfläche 134 strömungsmäßig isoliert ist. Die Innenfläche 136 kann der inneren Kavität 132 zugewandt sein. In einigen Ausführungsformen ist eine Wärmeschutzbeschichtung (TBC) 131 entlang der Außenfläche 134 des Körpers 130 angeordnet (z.B. auf diese aufgetragen), wobei jedoch die TBC 131 nicht in allen Ausführungsformen erforderlich ist. In einigen Fällen ist eine Haftvermittlerschicht 133 entlang der Außenfläche 134 des Körpers 130 zwischen der TBC 131 und der Außenfläche 134 ausgebildet. Die TBC 131 kann jedes beliebige herkömmliche TBC-Material, das in der Technik bekannt ist, enthalten, und die Haftvermittlerschicht 133 kann eine oder mehrere herkömmliche Haftvermittlerschichten enthalten. Zum Beispiel kann die TBC 131 eine mehrschichtige Beschichtung mit einem Substrat (z.B. Metallsubstrat), einer Haftvermittlerschicht (z.B. metallischer Haftvermittlerschicht), einem thermisch gewachsenen Oxid (TGO) und einer Deckschicht, wie beispielsweise einer keramischen Deckschicht (z.B. mit Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid oder YSZ) enthalten. Die Haftvermittlerschicht 133 kann ein oder mehrere Polymer(e) und/oder Latex enthalten, wie dies in der Technik bekannt ist.
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Die Turbomaschinenkomponente 107 kann ferner eine Halterung 138 enthalten, die mit der Innenfläche 136 gekoppelt ist, wobei die Halterung 138 ein Prallblech 140, das mit der Innenfläche 136 gekoppelt und von dieser getrennt ist, und einen Rückgewinnungskanal 143 enthält, der mit dem Prallblech 140 verbunden ist. Die Halterung 138 kann aus einem beliebigen geeigneten Material, z.B. einem Metall, wie etwa Stahl, oder einem Polymer oder einem anderen hybriden Material erzeugt sein, das in der Lage ist, den Temperatur- und Druckbedingungen im Inneren des Turbinenabschnitts 108 standzuhalten. Die Halterung 138 kann mit anderen Teilen der Turbinenkomponente 107 integral ausgebildet (z.B. gegossen, geformt, additiv gefertigt) sein, oder sie kann gesondert erzeugt (z.B. gegossen, geformt, zusammengebaut, additiv gefertigt) und mit anderen Teilen der Turbinenkomponente 107 (z.B. der Innenfläche 136) durch Verschweißen, Verlöten, Bonding, Kleben, etc. verbunden zu sein. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Prallblech 140 einen Satz Öffnungen 144, die eingerichtet sind, um einen Durchfluss eines Wärmeübertragungsfluids (z.B. eines Kühlmittels, wie bspw. Luft, Wasser oder einer anderen Flüssigkeit oder eines Gases) durch diese hindurch (z.B. von einem inneren Bereich in Richtung der Innenfläche 136) zu gestatten, damit dieses mit der Innenfläche 136 des Körpers 130 in Kontakt gelangt. Ferner kann der Rückgewinnungskanal 142 zur Rückgewinnung dieses Wärmeübertragungsfluids, z.B. in einem geschlossenen Kreislaufsystem, eingerichtet sein. Das heißt, gemäß verschiedenen Ausführungsformen bleibt das Wärmeübertragungsfluid innerhalb der Komponente 107, und es strömt nicht in den Arbeitsfluidbereich 145 (z.B. einen Heißgasströmungspfad) hinein. Das heißt, die Turbomaschinenkomponente 107 kann einen Fluss des Wärmeübertragungsfluids 150 von einem Quellenbereich 147 im Inneren des Körpers 130 und der Halterung 138 durch die Halterung 138 (z.B. über die Öffnungen 144) und zurück zu dem Quellenbereich 147 (z.B. über den Rückgewinnungskanal 142) zulassen. In diesen Fällen vermischt sich das Wärmeübertragungsfluid 150 nicht mit dem Arbeitsfluid (z.B. dem Heißgas) in dem Arbeitsfluidbereich 145. Wie hierin beschrieben, kann das Wärmeübertragungsfluid 150 in verschiedenen Ausführungsformen nach dem Gebrauch zu einer Stelle an oder stromaufwärts von dem Brennkammerabschnitt 104 zurückgeführt werden.
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In einigen Ausführungsformen ist es möglich, dass die Turbomaschinenkomponente 107 eine oder mehrere Filmkühlöffnungen 151 enthalten kann, die sich von dem Wärmeübertragungsbereich 148 und/oder dem Rückgewinnungskanal 142 aus durch den Körper 130 hindurch erstrecken. Diese Filmkühlöffnungen 151 können einen Durchfluss (z.B. eine Filmausgabe) des Kühlfluids durch den Körper 130, z.B. zur Kühlung in der Nähe der Außenfläche 134 ermöglichen.
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Wie am deutlichsten in den 4 und 5 veranschaulicht, kann die Turbomaschinenkomponente gemäß verschiedenen Ausführungsformen ferner einen Satz Verbindungsteile 146 enthalten, die sich zwischen der Innenfläche 136 und der Halterung 138 erstrecken. Die Verbindungsteile 146 können Laschen, Verlängerungen, Brückenelemente, etc. enthalten, die die Halterung 138 mit der Innenfläche 136 koppeln. In verschiedenen Ausführungsformen können die Verbindungsteile 146 mit anderen Teilen der Turbinenkomponente 107, z.B. der Halterung 138, integral ausgebildet (z.B. gegossen, geformt, additiv gefertigt) sein, oder sie können gesondert erzeugt (z.B. gegossen, geformt, zusammengebaut, additiv gefertigt) und mit anderen Teilen der Turbinenkomponente 107 (z.B. der Innenfläche 136 oder der Halterung 138) durch Schweißen, Löten, Bonden, Kleben, etc. verbunden sein.
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4 veranschaulicht, dass die Halterung 138 und die Innenfläche 136 einen Wärmeübertragungsbereich 148 zwischeneinander definieren können, in dem ein Wärmeübertragungsfluid strömen und Wärme von der Innenfläche 136 (und folglich von dem Körper 130) weg übertragen kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Rückgewinnungskanal 142 benachbart zu (z.B. in direktem Kontakt oder nahezu in Kontakt mit) dem Prallblech 140 angeordnet und ist mit dem Wärmeübertragungsbereich 148 derart strömungsmäßig gekoppelt, dass die Strömung des Wärmeübertragungsfluids durch das Prallblech 140 hindurch und in den Wärmeübertragungsbereich 148 hinein zu dem Rückgewinnungskanal 142 strömen kann, um z.B. in einem Wärmeübertragungssystem mit geschlossenem Kreislauf rückgeführt zu werden. Wie in 3 veranschaulicht, kann der Satz Öffnungen 144 in dem Prallblech 140 bemessen sein, um das (schematisch veranschaulichte) Wärmeübertragungsfluid 150 zu dem Rückgewinnungskanal 142 hin über den Wärmeübertragungsbereich 148 zu leiten. Zum Beispiel kann in einigen Fällen wenigstens eine Öffnung in dem Satz Öffnungen 144 einen verjüngten Verlauf innerhalb des Blechs 140 enthalten. In einigen Fällen enthält der Satz Öffnungen wenigstens zwei Öffnungen (eine erste Öffnung 152, eine zweite Öffnung 154), die verschiedene primäre Achsen (primäre Achse api der ersten Öffnung 152 und primäre Achse apii der zweiten Öffnung 154) in Bezug aufeinander, gemessen relativ zu der Innenfläche 136 (z.B. gemessen relativ zu oder senkrecht zu der Ebene der Innenfläche 136) aufweisen. Die zweite Öffnung 154 mit der primären Achse apii (die in Bezug auf die von der Innenfläche 136 gemessene Normale geneigt ist) kann sich näher an dem Rückgewinnungskanal 142 als die erste Öffnung 152 mit der primären Achse api (im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf die Innenfläche 136) befinden, und die zweite Öffnung 154 kann eine geneigte primäre Achse haben, um bei der Lenkung der Strömung des Wärmeübertragungsfluids 150 in Richtung des Rückgewinnungskanals 142 (und der Erzeugung eines Bereiches mit negativem Druck zwischen dem Auslass der ersten Öffnung 152 und der zweiten Öffnung 154) zu unterstützen.
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In verschiedenen Ausführungsformen, wie am deutlichsten in 4 veranschaulicht, kann die Halterung 138 ferner eine Rückenstütze 158 enthalten, die das Prallblech 140 und den Rückgewinnungskanal 142 miteinander verbindet. Die Rückenstütze 158 kann mehrere Prallbleche 140 miteinander verbinden und kann in einigen Fällen benachbarte Rückgewinnungskanäle 142 miteinander verbinden. Ferner kann die Halterung 138 eine oder mehrere Strömungswände 160 enthalten, die den Wärmeübertragungsbereich 148 in verschiedene Abschnitte 148 A, 148 B, etc. aufteilen können, so dass das Wärmeübertragungsfluid in Richtung eines nächsten Rückgewinnungskanals 142 in der Halterung 138 gerichtet wird. In verschiedenen Ausführungsformen, wie am deutlichsten in 5 veranschaulicht, weist der Körper 130 eine primäre Achse apb auf, wobei sich der Rückgewinnungskanal 142 entlang der primären Achse apb über eine größere Länge als das Prallblech 140 erstreckt.
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Die Turbomaschinenkomponenten 107, 207 (2–5) können auf etliche Weisen erzeugt sein. In einer Ausführungsform kann die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) durch Gießen, Schmieden, Schweißen und/oder maschinelle Bearbeitung erzeugt sein. In einer Ausführungsform ist jedoch additive Fertigung für die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) besonders geeignet. Wie hierin verwendet, kann additive Fertigung (AM, additive manufacturing) einen beliebigen Prozess zur Herstellung eines Objektes durch die aufeinanderfolgende Aufschichtung eines Materials anstatt durch die Entfernung von Material, was bei den herkömmlichen Prozessen der Fall ist, enthalten. Additive Fertigung kann komplexe Geometrien ohne die Verwendung irgendeiner Art von Werkzeugen, Gießformen oder Halterungen und mit wenig oder keinem Abfallmaterial erzeugen. Anstatt Komponenten aus festen Kunststoffblöcken herzustellen, von denen ein Großteil weggeschnitten und entsorgt wird, ist das einzige Material, das bei der additiven Fertigung verwendet wird, dasjenige, das zur Formung des Teils erforderlich ist. Additive Fertigungsprozesse können enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: 3D-Drucken, Rapid Prototyping (RP, schneller Prototypenbau), direkte digitale Herstellung (DDM, direct digital manufacturing), selektives Laserschmelzen (SLM, selective laser melting) und direktes Metalllaserschmelzen (DMLM, direct metal laser melting). In der momentanen Einrichtung ist DMLM als vorteilhaft festgestellt worden.
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Um ein Beispiel für einen additiven Fertigungsprozess zu veranschaulichen, zeigt 6 eine schematische Ansicht / Blockansicht eines veranschaulichenden computergestützten additiven Fertigungssystems 900 zur Erzeugung eines Objektes 902. In diesem Beispiel ist das System 900 zum DMLM eingerichtet. Es wird verstanden, dass die allgemeinen Lehren der Offenbarung in gleicher Weise auf andere Formen der additiven Fertigung anwendbar sind. Es ist ein Objekt 902 als ein doppelwandiges Turbinenelement veranschaulicht; jedoch wird verstanden, dass der additive Fertigungsprozess ohne Weiteres zur Herstellung der Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) angepasst werden kann. Das AM-System 900 enthält allgemein ein Steuersystem 904 zur computergestützten additiven Fertigung (AM, additive manufacturing) und einen AM-Drucker 906. Das AM-System 900, wie es nachstehend beschrieben ist, führt einen Code 920 aus, der einen Satz computerausführbarer Instruktionen enthält, die die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) definieren, um das Objekt unter Verwendung des AM-Druckers 906 physisch zu erzeugen. Jeder AM-Prozess kann unterschiedliche Rohmaterialien, z.B. in Form eines feinkörnigen Pulvers, einer Flüssigkeit (z.B. von Polymeren), einer Bahn, etc. verwenden, von denen ein Vorrat in einer Kammer 910 des AM-Druckers 906 bereitgehalten werden kann. In dem vorliegenden Fall kann die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) aus Kunststoff/Polymeren oder ähnlichen Materialien hergestellt sein. Wie veranschaulicht, kann ein Applikator 912 eine dünne Schicht des Rohmaterials 914 erzeugen, die als die blanke Plane ausgebreitet wird, von der aus jede nachfolgende Scheibe des endgültigen Objektes erzeugt wird. In anderen Fällen kann der Applikator 912 die nächste Schicht unmittelbar auf eine vorherige Schicht aufbringen oder aufdrucken, wie durch den Code 920 definiert, z.B. wenn das Material ein Polymer ist. In dem veranschaulichten Beispiel schmilzt ein Laser- oder Elektronenstrahl 916 Partikel für jede Schicht auf, wie durch den Code 920 definiert, wobei dies dort, wo ein schnell abbindender flüssiger Kunststoff / Polymer verwendet wird, gegebenenfalls nicht erforderlich ist. Verschiedene Teile des AM-Druckers 906 können sich bewegen, um die Hinzufügung jeder neuen Schicht aufzunehmen, wobei nach jeder Schicht z.B. eine Aufbauplattform 918 abgesenkt und/oder die Kammer 910 und/oder der Applikator 912 angehoben werden kann bzw. können.
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Das AM-Steuersystem 904 ist veranschaulicht, wie es auf einem Computer 930 als ein Computerprogrammcode implementiert ist. Insofern ist der Computer 930 veranschaulicht, wie er einen Speicher 932, einen Prozessor 934, eine Eingabe/Ausgabe(E/A)-Schnittstelle 936 und einen Bus 938 enthält. Ferner ist der Computer 930 in Kommunikationsverbindung mit einer externen E/A-Vorrichtung / Ressource 940 und einem Speichersystem 942 veranschaulicht. Im Allgemeinen führt der Prozessor 934 einen Computerprogrammcode, wie bspw. das AM-Steuersystem 904, der in dem Speicher 932 und/oder dem Speichersystem 942 gespeichert ist, unter Instruktionen von dem Code 920, der die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5), wie hierin beschrieben, repräsentiert, aus. Während der Computerprogrammcode ausgeführt wird, kann der Computerprozessor 934 Daten in den Speicher 932, das Speichersystem 942, die E/A-Vorrichtung 940 und/oder den AM-Drucker 906 schreiben und/oder von diesem/dieser/diesen lesen. Der Bus 938 stellt eine Kommunikationsverbindung zwischen jeder der Komponenten in dem Computer 930 bereit, und die E/A-Vorrichtung 940 kann eine beliebige Vorrichtung aufweisen, die einem Benutzer ermöglicht, mit dem Computer 940 zu interagieren (z.B. eine Tastatur, Zeigervorrichtung, Anzeige, etc.). Der Computer 930 ist nur für verschiedene mögliche Kombinationen aus Hardware und Software repräsentativ. Z.B. kann der Prozessor eine einzige Verarbeitungseinheit aufweisen, oder er kann über eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten an einem oder mehreren Orten (z.B. auf einem Client und einem Server) verteilt sein. In ähnlicher Weise kann sich der Speicher 932 und/oder das Speichersystem 942 an einem oder mehreren physikalischen Orten befinden. Der Speicher 932 und/oder das Speichersystem 942 kann/können eine beliebige Kombination von verschiedenen Arten von nicht transitorischen computerlesbaren Speichermedien aufweisen, zu denen magnetische Medien, optische Medien, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), etc. gehören. Der Computer 930 kann eine Rechenvorrichtung von beliebiger Bauart, wie beispielsweise einen Netzwerkserver, einen Desktop-Computer, einen Laptop, ein Handgerät, ein Mobiltelefon, einen Pager, einen persönlichen digitalen Assistenten (PDA), etc., aufweisen.
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Additive Fertigungsprozesse beginnen damit, dass ein nicht transitorisches computerlesbares Speichermedium (z.B. der Speicher 932, das Speichersystem 942, etc.) den Code 920 speichert, der die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) repräsentiert. Wie erwähnt, enthält der Code 920 einen Satz von computerausführbaren Instruktionen, die eine äußere Elektrode definieren, die bei der Ausführung des Codes durch das System 900 verwendet werden kann, um die Spitze physisch zu erzeugen. Z.B. kann der Code 920 ein präzise definiertes 3D-Modell der äußeren Elektrode enthalten und kann anhand eines beliebigen von sehr vielfältigen, allgemein bekannten Softwaresystemen zum rechnergestützten Entwurf (CAD, computer aided design), wie beispielsweise AutoCAD®, TurboCAD®, DesignCAD, 3D Max, etc. erzeugt werden. In dieser Hinsicht kann der Code 920 ein beliebiges heutzutage bekanntes oder künftig entwickeltes Dateiformat einnehmen. Zum Beispiel kann der Code in der Standard Tessellation Language (STL), die für Stereolithographie-CAD-Programme von 3D-Systemen kreiert wurde, oder als eine additive Fertigungsdatei (AMF, additive manufacturing file) vorliegen, was ein Standard der American Society of Mechanical Engineers (ASME) ist, der ein auf der erweiterbaren Auszeichnungssprache (XML, extensible markup language) basierendes Format ist, das ausgelegt ist, um einer beliebigen CAD-Software zu ermöglichen, die Gestalt und Zusammensetzung eines beliebigen dreidimensionalen Objektes zu beschreiben, das auf einem beliebigen AM-Drucker hergestellt werden soll. Der Code 920 kann zwischen verschiedenen Formaten umgewandelt, in einen Satz von Datensignalen umgesetzt und übertragen, als ein Satz von Datensignalen empfangen und in einen Code umgewandelt, gespeichert, etc. werden, wie dies erforderlich ist. Der Code 920 kann eine Eingabe zu dem System 900 sein und kann von einem Teileentwickler, einem Dienstleister für geistiges Eigentum (IP), einem Entwicklungsunternehmen, dem Betreiber oder Besitzer des Systems 900 oder von anderen Quellen stammen. In jedem Fall führt das AM-Steuersystem 904 den Code 920 aus, wobei es die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) in eine Reihe dünner Scheiben unterteilt, die es unter Verwendung des AM-Druckers 906 in aufeinanderfolgenden Schichten eines flüssigen, pulverförmigen, bahnförmigen oder sonstigen Materials zusammenfügt. In dem DMLM-Beispiel wird jede Schicht auf die exakte Geometrie, die durch den Code 920 definiert ist, aufgeschmolzen und mit der vorherigen Schicht verschweißt. Nachfolgend kann die Turbomaschinenkomponente 107, 207 (2–5) beliebigen vielfältigen Endbearbeitungsprozessen, zum Beispiel einer geringfügigen maschinellen Bearbeitung, Abdichten, Polieren, Montage an einem anderen Teil der Zünderspitze, etc., unterworfen werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen können Komponenten, die als miteinander „gekoppelt“ beschrieben sind, entlang einer oder mehrerer Verbindungsstellen miteinander verbunden sein. In einigen Ausführungsformen können diese Verbindungsstellen Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten enthalten, und in anderen Fällen können diese Verbindungsstellen eine fest und/oder integral ausgebildete Zwischenverbindung enthalten. Das heißt, in einigen Fällen können Komponenten, die miteinander „gekoppelt“ sind, gleichzeitig erzeugt sein, um ein einziges kontinuierliches Element zu definieren. Jedoch können diese gekoppelten Komponenten in anderen Ausführungsformen als gesonderte Elemente erzeugt und anschließend durch bekannte Prozesse (z.B. Verschweißen, Befestigen, Ultraschallschweißen, Kleben) miteinander verbunden sein. In verschiedenen Ausführungsformen können elektronische Komponenten, die als „gekoppelt“ beschrieben sind, über herkömmliche festverdrahtete und/oder drahtlose Mittel miteinander verbunden sein, so dass diese elektronischen Komponenten Daten miteinander austauschen können.
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Wenn auf ein Element oder eine Schicht derart Bezug genommen wird, dass sie sich „an“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindet, mit diesem bzw. dieser „in Eingriff steht“, „verbunden ist“ oder „gekoppelt ist“, kann sie sich unmittelbar an dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, unmittelbar mit diesem oder dieser in Eingriff stehen, verbunden sein oder gekoppelt sein, oder es können dazwischen geschaltete Elemente oder Schichten vorhanden sein. Im Unterschied hierzu können dann, wenn auf ein Element derart Bezug genommen wird, dass es sich „unmittelbar an“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindet, mit diesem oder dieser „unmittelbar in Eingriff steht“, „unmittelbar verbunden ist“ oder „unmittelbar gekoppelt ist“, keine dazwischen geschaltete Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Worte, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer ähnlichen Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ im Vergleich zu „unmittelbar zwischen“, „benachbart“ im Vergleich zu „unmittelbar benachbart“, etc.). Wie hierin verwendet, enthält der Begriff „und/oder“ eine beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Elemente.
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Räumlich relative Begriffe, wie beispielsweise „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hierin zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe können angedacht sein, um verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Einsatz oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umfassen. Falls zum Beispiel die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb von“ anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, anschließend „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen angeordnet sein. Somit kann der beispielhafte Begriff „unter“ sowohl eine Anordnung über als auch unter umfassen. Die Vorrichtung kann in sonstige Weise (um 90 Grad gedreht oder zu anderen Orientierungen) orientiert werden, und die räumlich relativen Beschreibungen, die hierin verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um einen beliebigen Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung auszuführen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Verschiedene Aspekte enthalten eine Turbomaschinenkomponente 10 gemeinsam mit einer Turbomaschine 100 und einem zugehörigen Speichermedium 942. In einigen Fällen enthält die Turbomaschinenkomponente 107: einen Körper 130, der eine innere Kavität 132 definiert, wobei der Körper 130 eine Außenfläche 134 und eine der Außenfläche 134 gegenüberliegende Innenfläche 136 aufweist, wobei die Innenfläche 136 der inneren Kavität 132 zugewandt ist; und eine Halterung 138, die mit der Innenfläche 136 des Körpers 130 gekoppelt ist, wobei die Halterung 138 enthält: ein Prallblech 140, das mit der Innenfläche 136 des Körpers 130 gekoppelt und von dieser getrennt ist, wobei das Prallblech 140 einen Satz Öffnungen 144 enthält, die eingerichtet sind, um einer Strömung eines Wärmeübertragungsfluids 150 durch diese hindurch zu gestatten, mit der Innenfläche 136 des Körpers 130 in Kontakt zu treten; und einen Rückgewinnungskanal 142, der mit dem Prallblech 140 zur Rückgewinnung des Wärmeübertragungsfluids 150 verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Turbomaschine
- 102
- Verdichterabschnitt
- 104
- Brennkammerabschnitt
- 105
- Verbrennungsbereich
- 106
- Brennstoffdüsenanordnung
- 107
- Turbinenkomponente
- 108
- Turbinenabschnitt
- 109
- Leitapparat
- 110
- gemeinsame Verdichter/Turbinen-Welle (Rotor)
- 112
- Schaufelblatt (Leitschaufel)
- 114
- Plattform
- 116
- Plattform
- 118
- Laufschaufel
- 120
- Schaufel
- 122
- Basis
- 124
- Rotorkörper
- 126
- Deckband
- 130
- Schaufelblatt- oder Schaufelkörper
- 131
- Wärmeschutzbeschichtung TBC
- 132
- innere Kavität
- 133
- Haftvermittlerschicht
- 134
- Außenfläche
- 136
- Innenfläche
- 138
- Halterung
- 140
- Prallblech
- 142
- Rückgewinnungskanal
- 144
- Öffnungen
- 146
- Verbindungsteile
- 148
- Wärmeübertragungsbereich
- 150
- Wärmeübertragungsfluid
- 151
- Filmkühllöcher
- 152
- erste Öffnung
- 154
- zweite Öffnung
- 158
- Rückenstütze
- 160
- Strömungswände
- 207
- Turbomaschinenkomponente
- 900
- veranschaulichendes computergestütztes additives Fertigungssystem
- 902
- Objekt
- 904
- Steuersystem zur additiven Fertigung AM
- 906
- AM-Drucker
- 910
- Kammer
- 912
- Applikator
- 914
- Rohmaterial
- 916
- Elektronenstrahl
- 918
- Aufbauplattform
- 920
- gespeicherter Code
- 930
- Computer
- 932
- Speicher
- 934
- Prozessor
- 936
- Eingabe/Ausgabe(E/A)-Schnittstelle
- 938
- Bus
- 940
- externe E/A-Vorrichtung/Resource
- 942
- Speichersystem
- 148A
- anderer Abschnitt
- 148B
- anderer Abschnitt