DE102019132728A1

DE102019132728A1 - Turbinenschaufelspitzen-kühlsystem mit spitzenschienen-kühleinsatz

Info

Publication number: DE102019132728A1
Application number: DE102019132728.8A
Authority: DE
Inventors: Mark Steven Honkomp; Mehmet Suleyman Ciray; Mark Lawrence Hunt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-06-04
Also published as: US20200173288A1; CN111255524A; JP7370823B2; US10934852B2; JP2020097930A

Abstract

Ein Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) schließt eine Turbinenschaufel (115) mit einem Spitzenhohlraum (155), eine Spitzenschiene (150), die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums (155) umgibt und mindestens einen internen Kühlhohlraum ein. Die Spitzenschiene (150) weist eine innere Schienenoberfläche (157), eine äußere Schienenoberfläche (159), eine Endfläche (160, 288) und mindestens eine Spitzenschienentasche (270) auf, die an der Endfläche (160, 288) offen und in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum ist, der ein Kühlmittel leitet. Ein Spitzenschienen-Kühleinsatz (280) ist an der mindestens einer Spitzenschienentasche (270) angebracht und weist einen oder mehrere Kühlkanäle (180) und eine Kühlmittelsammelkammer (284, 384) zum Leiten von Kühlmittel aus dem mindestens einen internen Kühlhohlraum zu den Einsatzkühlkanälen (180) auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Turbinenkomponenten und insbesondere auf ein Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem mit einem Spitzenschienen-Kühleinsatz.
In einem Gasturbinensystem ist es bekannt, dass Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und zum Verbrennen eines Kraftstoffs in einer Brennkammer verwendet wird, um einen Strom heißer Verbrennungsgase zu erzeugen, woraufhin diese Gase durch eine oder mehrere Turbinen stromabwärts strömen, so dass Energie daraus gewonnen werden kann. Gemäß einer solchen Turbine erstrecken sich im Allgemeinen Reihen von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenschaufeln radial nach außen von einem tragenden Laufrad. Üblicherweise schließt jede Schaufel einen Schwalbenschwanz ein, der die Montage und Demontage der Schaufel in einem entsprechenden Schwalbenschwanz-Schlitz im Laufrad ermöglicht, sowie ein Schaufelblatt, das sich radial nach außen von dem Schwalbenschwanz erstreckt.
Das Schaufelblatt hat eine im Allgemeinen konkave Druckseitenwand und eine im Allgemeinen konvexe Saugseitenwand, die sich axial zwischen entsprechenden Vorder- und Hinterkanten und radial zwischen einem Fuß und einer Spitze erstreckt. Es versteht sich, dass die Schaufelspitze eng an einer radial äußeren Turbinenummantelung anliegt, zur Minimierung von Leckagen der zwischen den Turbinenschaufeln stromabwärts strömenden Verbrennungsgase zwischen Schaufelspitze und Turbinenummantelung. Maximale Effizienz des Systems wird durch Minimieren des Zwischenraums oder Spalts der Spitze erreicht, so dass Leckage verhindert wird, diese Strategie ist jedoch eingeschränkt aufgrund der unterschiedlichen thermischen und mechanischen Expansions- und Kontraktionsraten zwischen den Turbinenschaufeln und der Turbinenummantelung und aufgrund der Motivation, ein unerwünschtes Szenario eines übermäßigen Reibens der Spitze gegen die Ummantelung während des Betriebs zu vermeiden.
Da Turbinenschaufeln außerdem heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, ist eine effektive Kühlung erforderlich, um eine lange Lebensdauer der Teile zu gewährleisten. Üblicherweise sind die Schaufelblätter hohl und in Fluidverbindung mit dem Verdichter angeordnet, so dass ein Teil der daraus abgeleiteten Druckluft als Kühlmittel zum Kühlen der Schaufelblätter verwendet werden kann. Die Kühlung der Schaufelblätter ist sehr komplex und kann mit verschiedenen Formen von internen Kühlkanälen und -merkmalen sowie Kühllöchern durch die äußeren Schienenoberflächen des Schaufelblattes zum Ableiten des Kühlmittels umgesetzt werden. Nichtsdestotrotz sind Schaufelblattspitzen besonders schwer zu kühlen, da sie sich direkt neben der Turbinenummantelung befinden und von den heißen Verbrennungsgasen, die durch den Spalt der Spitze strömen, erwärmt werden. Dementsprechend wird ein Teil der Luft, die in das Schaufelblatt der Schaufel geleitet wird, üblicherweise durch die Spitze zur Kühlung derselben abgeleitet.
Es versteht sich, dass konventionelle Schaufelspitzen mehrere verschiedene Geometrien und Konfigurationen einschließen, die eine Leckage verhindern und die Kühleffektivität erhöhen sollen. Herkömmliche Schaufelspitzen haben jedoch alle bestimmte Nachteile, einschließlich eines allgemeinen Unvermögens, Leckagen angemessen zu reduzieren und/oder eine effiziente Kühlung der Spitze zu ermöglichen, die den Einsatz von Verdichter-Bypass-Luft, welcher sich negativ auf die Effizienz auswirkt, minimiert. Ein Ansatz, der als eine „Squealer-Spitzen“-Anordnung bezeichnet wird, stellt eine sich radial erstreckende Schiene bereit, die gegen die Spitzenummantelung reiben kann. Die Schiene reduziert Leckage und erhöht daher den Wirkungsgrad von Turbinenmaschinen.
Die Schiene der Squealer-Spitze ist jedoch einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt und lässt sich nur schwer effektiv kühlen - sie ist häufig eine der heißesten Bereiche in der Schaufel. Spitzenschienen-Prallkühlung führt Kühlmittel durch die Oberseite der Schiene zu und hat sich als effektives Verfahren der Schienenkühlung erwiesen. Es gibt jedoch zahlreiche Herausforderungen, wenn ein Kühlmittel durch die Oberseite der Schiene geleitet wird. So sind beispielsweise die Anforderungen an die Rückströmungsdruckspanne mit dieser Anordnung nur schwer zu erfüllen (insbesondere an der Druckseitenwand, wo Löcher mit Nieder- und Hochdruckbereichen verbunden sind - die Oberseite bzw. die Druckseitenwände der Schiene). Daher ist es schwierig, Verluste im Spitzendurchlass zu erzeugen, um den Kühlmittelstrom zurück zu drücken und gleichzeitig die Schiene ausreichend zu kühlen, da Verluste die Menge an Kühlmittel verringern, die in diesem Bereich verwendet wird. Ferner müssen die Auslasslöcher eine Reibungstoleranz aufweisen und dennoch eine ausreichende Kühlung für die Schienen bereitstellen. Beispielsweise müssen die Auslasslöcher tolerant gegenüber Spitzenreibung, jedoch auch ausreichend groß sein, so dass Staub diese nicht verstopfen.
Es ist zudem wünschenswert, die Kühlung nach Verschleißen der Spitze aufrechtzuerhalten, z. B. indem zusätzliche Kühlkanäle freigelegt werden.
Idealerweise können die Kühldurchlässe der Schiene auch durch additive Herstellung ausgebildet werden, wodurch sich weitere Herausforderungen ergeben. Additive Herstellung (Additive Manufacturing, AM) schließt eine Vielzahl von Prozessen zur Herstellung einer Komponente durch das sukzessive Beschichten von Material und nicht durch das Entfernen von Material ein. Daher können durch additive Herstellung komplexe Geometrien ohne den Einsatz von Werkzeugen, Formen oder Vorrichtungen und mit wenig oder gar keinem Abfall hergestellt werden. Statt Komponenten aus massiven Stangen aus Material zu bearbeiten, die größtenteils abgetragen und entsorgt werden, wird in der additiven Herstellung nur das Material verwendet, das für die Formgebung der Komponente benötigt wird. In Bezug auf die Spitzenschienen-Kühldurchlässe sind konventionelle kreisförmige Kühllöcher innerhalb der Schiene sehr schwierig im Rahmen der additiven Fertigung (senkrecht zur nominalen Baurichtung) umzusetzen und können sich während der Fertigung stark verformen oder brechen.
Eine weitere Herausforderung bei der Spitzenkühlung stellen die unterschiedlichen Temperaturen dar, die in verschiedenen Bereichen der Spitzenschiene beobachtet werden. Beispielsweise ist die Schiene in der Druckseitenwand und im hinteren Bereich der Saugseitenwand üblicherweise wärmer als andere Bereichen. Eine weitere Herausforderung ist die Bereitstellung einer Kühlung in gebrauchten Turbinenschaufeln, die ursprünglich keine Spitzenkühldurchlässe einschließen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Gesichtspunkt der Offenbarung sieht ein Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem vor, das Folgendes umfasst: eine Turbinenschaufel mit einem Spitzenhohlraum, eine Spitzenschiene, die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums umgibt und mindestens einen internen Kühlhohlraum; wobei die Spitzenschiene eine innere Schienenoberfläche, eine äußere Schienenoberfläche, eine Endfläche und mindestens eine Spitzenschienentasche aufweist, die an der Endfläche offen ist und in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum ist, der ein Kühlmittel leitet; und einen Spitzenschienen-Kühleinsatz, der an der mindestens einen Spitzenschienentasche angebracht ist, wobei der Spitzenschienen-Kühleinsatz mindestens einen Einsatzkühlkanal und eine Kühlmittelsammelkammer zum Leiten von Kühlmittel aus dem mindestens einen internen Kühlhohlraum zu dem mindestens einen Einsatzkühlkanal aufweist.
Ein zweiter Gesichtspunkt der Offenbarung sieht ein Verfahren zum Kühlen einer Turbinenschaufelspitze vor, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Turbinenschaufel mit einem Spitzenhohlraum, einer Spitzenschiene, die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums umgibt und mindestens einen internen Kühlhohlraum, der konfiguriert ist, um ein Kühlmittel zuzuführen, wobei die Spitzenschiene eine innere Schienenoberfläche, eine äußere Schienenoberfläche und eine Endfläche aufweist; Ausbilden einer Spitzenschienentasche in der Endfläche der Spitzenschiene, wobei die Spitzenschienentasche eine Spitzenschienen-Kühlmittelöffnung in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum einschließt; Ausbilden eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes mit einer Kühlmittelsammelkammer, die für die Fluidverbindung mit der Spitzentaschen-Kühlmittelöffnung und mindestens einem Einsatzkühlkanal in Fluidverbindung mit der Kühlmittelsammelkammer konfiguriert ist, wobei der Spitzenschienen-Kühleinsatz so bemessen und geformt ist, dass er in die Spitzenschienentasche greift; und Anbringen des Spitzenschienen-Kühleinsatzes an der Spitzenschienentasche, um die Kühlmittelsammelkammer fluidisch mit dem internen Kühlhohlraum zu verbinden.
Ein dritter Gesichtspunkt sieht eine Gasturbine mit einer rotierenden Schaufel vor, wobei die Gasturbine Folgendes umfasst: eine Turbinenschaufel mit einem Spitzenhohlraum, eine Spitzenschiene, die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums umgibt und mindestens einen internen Kühlhohlraum; wobei die Spitzenschiene eine innere Schienenoberfläche, eine äußere Schienenoberfläche, eine Endfläche und mindestens eine an der Endfläche offene Spitzenschienentasche aufweist, wobei die mindestens eine Spitzenschienentasche in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum ist; und einen Spitzenschienen-Kühleinsatz, der an der mindestens einen Spitzenschienentasche angebracht ist, wobei der Spitzenschienen-Kühleinsatz mindestens einen Einsatzkühlkanal und eine Kühlmittelsammelkammer zum Leiten von Kühlmittel aus dem mindestens einen internen Kühlhohlraum zu dem mindestens einen Einsatzkühlkanal aufweist.
Die veranschaulichenden Aspekte der vorliegenden Offenbarung sollen die hierin beschriebenen Probleme und/oder andere nicht diskutierte Probleme lösen.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale dieser Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung darstellen, besser verständlich, in denen Folgendes gilt:

1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Turbomaschinensystems.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden Turbinenkomponente in Form einer Turbinenschaufelanordnung mit einem Laufrad, einer Turbinenschaufel und einer stationären Ummantelung.
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht in Nahaufnahme der Spitze einer Turbinenkomponente in Form einer Turbinenschaufel, in der Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden können.
4 ist eine perspektivische Durchsichtsansicht in Nahaufnahme der Spitze einer Turbinenkomponente in Form einer Turbinenschaufel mit einem Spitzenschienen-Kühleinsatz gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
5 ist eine vergrößerte perspektivische Durchsichtsansicht einer Spitzentasche in einer Spitzenschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
6 ist eine Draufsicht von einer Spitzentasche in einer Spitzenschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes in einer Spitzenschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
10 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 10-10 in 9 eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
12 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Spitzenschienen-Kühleinsatzes von 11.
13 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Spitzentasche und eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
14 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes in der Spitzentasche von 13.
15 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes in einer Spitzenschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
17 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
18 ist eine perspektivische Ansicht einer inneren Schicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
19 ist eine perspektivische Ansicht einer inneren Schicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
20 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes einschließlich seitlichen Austrittsöffnungen gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.

Es wird angemerkt, dass die Zeichnungen der Offenbarung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Aspekte der Offenbarung darstellen und sollten daher nicht als den Umfang der Offenbarung einschränkend angesehen werden. In den Zeichnungen entsprechen gleiche Nummern gleichen Elementen zwischen den Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die aktuelle Offenbarung klar zu beschreiben, muss zunächst eine bestimmte Terminologie ausgewählt werden, wenn auf relevante Maschinenkomponenten innerhalb eines Turbomaschinensystems und im Verhältnis zu einer Turbinenschaufel Bezug genommen wird und diese beschrieben werden. Dabei werden, wenn möglich, branchenübliche Begriffe verwendet und in einer Weise verwendet, die der akzeptierten Bedeutung entspricht. Sofern nicht anders angegeben, sollte eine solche Terminologie eine breite Auslegung erhalten, die mit dem Kontext der vorliegenden Anmeldung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche vereinbar ist. Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass häufig auf eine bestimmte Komponente unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher oder überlappender Begriffe Bezug genommen werden kann. Was hierin als ein einzelnes Teil beschrieben werden kann, kann mehrere Komponenten umfassen und in einem anderen Kontext als aus diesen bestehend bezeichnet werden. Alternativ kann das, was hierin als mehrere Komponenten enthaltend beschrieben werden kann, an anderer Stelle als ein einzelnes Teil bezeichnet werden.
Außerdem können hierin mehrere beschreibende Begriffe 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 nicht anders angegeben, wie folgt. Wie hier verwendet, sind „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ Ausdrücke, die eine Richtung relativ zur Strömung eines Arbeitsfluids angeben, wie der Verbrennungsgase durch die Turbinenmaschine oder zum Beispiel des Luftstroms durch die Brennkammer oder des Kühlmittels durch eine der Turbinenkomponenten oder an einer der Turbinenkomponenten vorbei. Der Ausdruck „stromabwärts“ entspricht der Strömungsrichtung des Fluids, und der Ausdruck „stromaufwärts“ bezieht sich auf die Richtung entgegengesetzt zur Strömung. Die Begriffe „vorne“ und „hinten“ beziehen sich ohne weitere Spezifizierung auf Richtungen, wobei „vorne“ sich auf einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt des zu referenzierenden Teils bezieht, d. h. auf einen Abschnitt, der dem Verdichter am nächsten liegt, und „hinten“ sich auf einen stromabwärts gelegenen Abschnitt des zu referenzierenden Teils bezieht, d. h. am weitesten vom Verdichter entfernt. Es ist häufig erforderlich, Teile zu beschreiben, die sich in Bezug auf eine Mittelachse an unterschiedlichen radialen Positionen befinden. Der Begriff „radial“ bezieht sich auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. Wenn eine erste Komponente näher an der Achse liegt als eine zweite Komponente, wird in solchen Fällen hier angegeben, dass die erste Komponente „radial innen“ oder „innenliegend“ zur zweiten Komponente liegt. Wenn sich andererseits die erste Komponente weiter von der Achse entfernt als die zweite Komponente befindet, kann hier angegeben werden, dass die erste Komponente „radial außen“ oder „außen“ zur zweiten Komponente liegt. Der Begriff „axial“ bezieht sich auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse. Der Begriff „in Umfangsrichtung“ schließlich bezieht sich auf eine Bewegung oder Position rund um eine Achse. Es versteht sich, dass solche Begriffe in Bezug auf die Mittelachse der Turbine angewendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als „auf“ „in Eingriff mit“, „gelöst von“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann es direkt auf, verbunden, in Eingriff oder gekoppelt mit dem anderen Element oder der anderen Schicht sein oder dazwischenliegende Elemente oder Schichten können vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, sind möglicherweise keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.). Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ jegliche und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Gegenstände.
Wie vorstehend angegeben, stellen Ausführungsformen der Offenbarung ein Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem für eine Turbinenschaufel mit einem Spitzenschienen-Kühleinsatz bereit. Eine Turbinenschaufel weist einen Spitzenhohlraum auf, eine Spitzenschiene, die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums umgibt und mindestens einen internen Kühlhohlraum, d. h. einen internen Kühlhohlraum, der ein Kühlmittel leitet, das innerhalb des Schaufelblatts angeordnet ist. Der Spitzenhohlraum kann durch eine Spitzenplatte und die Spitzenschiene erzeugt werden. Die Spitzenschiene weist eine innere Schienenoberfläche, eine äußere Schienenoberfläche, eine Endfläche und mindestens eine Spitzenschienentasche auf, die an der Endfläche offen ist. Das heißt, die Spitzenschiene kann eine innere Schienenoberfläche, die einen Spitzenhohlraum darin definiert, eine äußere Schienenoberfläche und eine Endfläche (z. B. eine radial nach außen weisende Schienenoberfläche) zwischen der inneren Schienenoberfläche und der äußeren Schienenoberfläche einschließen. Die Spitzenschiene erstreckt sich radial von der Spitzenplatte. Die Spitzenschienentasche ist in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum, der ein Kühlmittel leitet. Ein Spitzenschienen-Kühleinsatz ist an der mindestens einen Spitzenschienentasche angebracht und weist einen oder mehrere Einsatzkühlkanäle und eine Kühlmittelsammelkammer zum Leiten von Kühlmittel aus dem mindestens einen internen Kühlhohlraum zu den Einsatzkühlkanälen auf. Einsatzkühlkanäle können eine Vielzahl von Formen annehmen, um eine breite Vielfalt der gewünschten Kühlung bereitzustellen. Der Spitzenschienen-Kühleinsatz ermöglicht eine selektiv platzierte Kühlung der Spitzenschiene bei gebrauchten oder neuen Turbinenschaufeln. Das heißt, der Spitzenschienen-Kühleinsatz kann den Bereichen der Spitze und/oder der Spitzenschiene Kühlmittel zuführen, z. B. auf die Saugseite, den hinteren Abschnitt davon, der im Vergleich zu anderen Teilen der Spitze eine zusätzliche Kühlung erfordert. Der Spitzenschienen-Kühleinsatz kann auch die Kühlung der Spitzenschiene verbessern, während Kühlmittel durch sie hindurch dosiert wird. Der Spitzenschienen-Kühleinsatz kann auch gegen Verstopfung durch Staub helfen.
Bestimmte Ausführungsformen des Spitzenschienen-Kühleinsatzes ermöglichen additive Herstellung, neben anderen Herstellungsverfahren, wie hierin beschrieben. Additive Herstellung (Additive Manufacturing, AM) schließt eine Vielzahl von Prozessen zur Herstellung einer Komponente durch das sukzessive Beschichten von Material und nicht durch das Entfernen von Material ein. Additive Herstellungstechniken schließen üblicherweise das Nehmen einer dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsdatei (CAD-Datei) der zu bildenden Komponente, das elektronische Aufschneiden der Komponente in Schichten, z. B. 18-102 Mikrometer dick, und das Erzeugen einer Datei mit einem zweidimensionalen Bild jeder Schicht, einschließlich Vektoren, Bildern oder Koordinaten ein. Die Datei kann dann in ein Vorbereitungssoftwaresystem geladen werden, das die Datei so auslegt, dass die Komponente durch verschiedene Arten von additiven Herstellungssystemen gebildet werden kann. Beim 3D-Druck, Rapid Prototyping (RP) und Direct Digital Manufacturing (DDM) werden Formen der additiven Herstellung, Materialschichten selektiv aufgetragen, gesintert, gebildet, abgeschieden usw., um die Komponente zu erzeugen. Bei additiven Herstellungstechniken mit Metallpulver, wie dem direkten Metalllaserschmelzen (Direct Metal Laser Melting, DMLM) (auch selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) genannt), werden Metallpulverschichten nacheinander zu einer Komponente verschmolzen. Genauer gesagt werden feine Metallpulverschichten nacheinander geschmolzen, nachdem sie unter Verwendung eines Applikators auf einem Metallpulverbett gleichmäßig verteilt wurden. Jeder Applikator schließt ein Applikatorelement in Form einer Lippe, eines Pinsels, einer Rakel oder einer Walze aus Metall, Kunststoff, Keramik, Kohlefaser oder Gummi ein, die das Metallpulver gleichmäßig über die Bauplattform verteilen. Das Metallpulverbett kann in einer vertikalen Achse bewegt werden. Das Verfahren findet in einer Prozesskammer mit einer genau kontrollierten Atmosphäre statt. Sobald jede Schicht erzeugt ist, kann jede zweidimensionale Schicht der Komponentengeometrie durch selektives Schmelzen des Metallpulvers verschmolzen werden. Das Schmelzen kann durch einen leistungsstarken Schmelzstrahl, wie einen 100-Watt-Ytterbium-Laser durchgeführt werden, um das Metallpulver vollständig zu schweißen (schmelzen) und ein festes Metall zu bilden. Der Schmelzstrahl bewegt sich mit Hilfe von Scanspiegeln in X-Y-Richtung und hat eine Intensität, die ausreicht, um das Metallpulver vollständig zu schweißen (schmelzen) und ein festes Metall zu bilden. Das Metallpulverbett kann für jede weitere zweidimensionale Schicht abgesenkt werden, und der Prozess wiederholt sich, bis die Komponente vollständig gebildet ist.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Turbomaschinensystems, wie eines Gasturbinensystems 100. Das System 100 schließt einen Verdichter 102, eine Brennkammer 104, eine Turbine 106, eine Welle 108 und eine Kraftstoffdüse 110 ein. In einer Ausführungsform kann das System 100 eine Vielzahl von Verdichtern 102, Brennkammern 104, Turbinen 106, Wellen 108 und Kraftstoffdüsen 110 einschließen. Der Verdichter 102 und die Turbine 106 sind über die Welle 108 gekoppelt. Die Welle 108 kann eine einzelne Welle oder eine Vielzahl von Wellensegmenten sein, die miteinander gekoppelt sind, um die Welle 108 zu bilden.
In einem Gesichtspunkt verwendet die Brennkammer 104 flüssigen und/oder gasförmigen Kraftstoff, wie Erdgas oder ein wasserstoffreiches synthetisches Gas, um den Motor zu betreiben. Die Kraftstoffdüsen 110 stehen zum Beispiel in Fluidverbindung mit einer Luftversorgung und einer Kraftstoffversorgung 112. Die Kraftstoffdüsen 110 erzeugen ein Luft-Kraftstoff-Gemisch und leiten das Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer 104 ab, wodurch eine Verbrennung entsteht, die ein heißes Druckabgas erzeugt. Die Brennkammer 104 leitet das heiße Druckabgas durch ein Übergangsstück in eine Turbinendüse (oder „Düse der Stufe eins“) und andere Stufen von Schaufeln und Düsen, bewirken das Drehen der Turbine 106. Die Drehung der Turbine 106 bewirkt, dass sich die Welle 108 dreht, wodurch die Luft beim Einströmen in den Verdichter 102 komprimiert wird. In einer Ausführungsform befinden sich heißgasbeaufschlagte Komponenten, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Ummantelungen, Blenden, Düsen, Schaufeln und Übergangsteile in der Turbine 106, in der der Heißgasstrom über die Komponenten Verformung, Oxidation, Verschleiß und thermische Ermüdung der Turbinenteile verursacht. Die Temperaturregelung der heißgasbeaufschlagten Komponenten kann Notfallmodi in den Komponenten reduzieren. Der Wirkungsgrad der Gasturbine nimmt mit einer Erhöhung der Brenntemperatur im Turbinensystem 100 zu. Wenn die Brenntemperatur ansteigt, müssen die heißgasbeaufschlagten Komponenten richtig gekühlt werden, um die Lebensdauer zu erfüllen. Komponenten mit verbesserten Anordnungen zum Kühlen von Bereichen nahe dem Heißgasweg und Verfahren zur Herstellung solcher Komponenten werden hierin im Detail erörtert. Obwohl sich die folgende Erörterung hauptsächlich auf Gasturbinen konzentriert, sind die erörterten Konzepte nicht auf Gasturbinen beschränkt.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden konventionellen Turbinenkomponente, einer Turbinenschaufel 115, die in einer Turbine eines Gasturbinensystems positioniert ist. Es versteht sich, dass die Turbine stromabwärts von einer Brennkammer zum Aufnehmen heißer Verbrennungsgase 116 daraus angeordnet ist. Die Turbine, die um eine axiale Mittellinienachse achsensymmetrisch ist, schließt ein Laufrad 117 und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenschaufeln (von denen nur eine dargestellt ist) ein, die sich radial nach außen von dem Laufrad 117 entlang einer Radialachse erstrecken. Das Laufrad 117 ist gekoppelt mit der Welle 108 (1). Eine ringförmige stationäre Turbinenummantelung 120 ist in geeigneter Weise mit einem stationären Statorgehäuse (nicht gezeigt) verbunden und umgibt die Turbinenschaufeln 115, so dass ein relativ kleiner Zwischenraum oder Spalt dazwischen verbleibt, der die Leckage von Verbrennungsgasen während des Betriebs beschränkt.
Jede Turbinenschaufel 115 schließt im Allgemeinen eine Basis 122 (auch bezeichnet als Fuß oder Schwalbenschwanz) ein, die jede konventionelle Form haben kann, wie einen axialen Schwalbenschwanz konfiguriert zum Einbau in einem entsprechenden Schwalbenschwanz-Schlitz in dem Umfang des Laufrads 117. Ein hohles Schaufelblatt 124 ist integral mit der Basis 122 verbunden und erstreckt sich davon radial oder in Längsrichtung nach außen. Die Turbinenschaufel 115 schließt ferner eine integrale Plattform 126 ein, die an der Verbindungsstelle des Schaufelblatts 124 und der Basis 122 angeordnet ist, um einen Abschnitt des radial inneren Strömungswegs für Verbrennungsgase 116 zu definieren. Es versteht sich, dass die Turbinenschaufel 115 in jeder konventionellen Weise gebildet werden kann und üblicherweise ein einteiliges Gussteil, ein additiv hergestelltes Teil oder eine additiv hergestellte Spitze in Verbindung mit einem gegossenen Schaufelfußabschnitt darstellt. Es zeigt sich, dass das Schaufelblatt 124 vorzugsweise eine im Allgemeinen konkave Druckseitenwand 128 und eine im Umfang oder seitlich gegenüberliegende, im Allgemeinen konvexe Saugseitenwand 130 einschließt, die sich axial zwischen den gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten 132 und 134 erstreckt. Die Seitenwände 128 und 130 erstrecken sich ebenfalls in radialer Richtung von der Plattform 126 zu einer radial äußeren Schaufelspitze oder einfach zur Spitze 137.
3 stellt eine perspektivische Ansicht in Nahaufnahme einer veranschaulichenden Turbinenschaufelspitze 137 bereit, auf Basis derer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Im Allgemeinen hat die Turbinenschaufel 115 einen Spitzenhohlraum 155, eine Spitzenschiene 150, die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums 155 umgibt, und mindestens einen internen Kühlhohlraum 174. Die Schaufelspitze 137 ist gegenüber der Basis 122 angeordnet (2) und schließt eine Spitzenplatte 148 ein, die ein nach außen weisendes Spitzenende 151 zwischen der Druckseitenwand 128 und der Saugseitenwand 130 definiert. Die Spitzenplatte 148 begrenzt üblicherweise die internen Kühldurchlässe (die hierin einfach als ein „interner Kühlhohlraum“ 174 (auch „Schaufelblattkammer“ genannt) bezeichnet werden), die innerhalb des Schaufelblatts 124 angeordnet sind und zwischen der Druckseitenwand 128 und der Saugseitenwand 130 des Schaufelblatts 124 definiert sind. Der interne Kühlhohlraum 174 ist konfiguriert, um ein Kühlmittel durch das Schaufelblatt 124 zuzuführen, z. B. in einer radialen Richtung. Das heißt, dass Kühlmittel, wie Druckluft, die aus dem Verdichter abgeleitet wird, während des Betriebs durch den internen Kühlhohlraum geleitet werden kann. Der interne Kühlhohlraum kann alle heute bekannten oder später entwickelten Kühlmittel führenden Kanäle oder Kreisläufe einschließen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: Kühldurchlässe, Prallmanschetten oder -elemente, Verbindungsgänge, Hohlräume, Sockel usw. Die Spitzenplatte 148 kann integral mit der Turbinenschaufel 115 verbunden sein, oder sie kann nach dem Gießen der Schaufel verschweißt/gelötet werden.
Aufgrund bestimmter Leistungsvorteile, wie ein reduzierter Leckagefluss, schließen die Schaufelspitzen 137 häufig eine Spitzenschiene 150 ein. In Übereinstimmung mit der Druckseitenwand 128 und der Saugseitenwand 130 kann die Spitzenschiene 150 als eine Druckseitenwandschiene 152 bzw. eine Saugseitenwandschiene 154 einschließend beschrieben werden. Im Allgemeinen erstreckt sich die Druckseitenwandschiene 152 radial nach außen von der Spitzenplatte 148 und erstreckt sich von der Vorderkante 132 bis zur Hinterkante 134 des Schaufelblatts 124. Wie dargestellt, ist der Weg der Druckseitenwandschiene 152 angrenzend an oder nahe der äußeren Radialkante der Druckseitenwand 128 (d. h. am oder nahe dem Umfang der Spitzenplatte 148, so dass sie mit der äußeren Radialkante der Druckseitenwand 128 ausgerichtet ist). Ebenso erstreckt sich die Saugseitenwandschiene 154, wie dargestellt, radial nach außen von der Spitzenplatte 148 und kann sich von der Vorderkante 132 bis zur Hinterkante 134 des Schaufelblatts 124 erstrecken. Der Weg der Saugseitenwandschiene 154 befindet sich neben oder nahe der äußeren Radialkante der Saugseitenwand 130 (d. h. an oder nahe dem Umfang der Spitzenplatte 148, so dass sie mit der äußeren Radialkante der Saugseitenwand 130 ausrichtet ist). Sowohl die Druckseitenwandschiene 152 als auch die Saugseitenwandschiene 154 können als eine innere Schienenoberfläche 157, eine äußere Schienenoberfläche 159 und eine Endfläche 160 aufweisend beschrieben werden, z. B. eine radial nach außen weisende Schienenoberfläche, die zwischen der inneren Schienenoberfläche 157 und der äußeren Schienenoberfläche 159 angeordnet ist. Es versteht sich jedoch, dass Schienen nicht notwendigerweise den Druck- oder Saugseitenwandschienen folgen müssen. Das heißt, in alternativen Arten von Spitzen, in denen die vorliegende Offenbarung verwendet werden kann, können die Spitzenschienen 150 von den Kanten der Spitzenplatte 148 verlagert werden und sich möglicherweise nicht bis zur Hinterkante 134 erstrecken.
Auf diese Weise gebildet, versteht es sich, dass die Spitzenschiene 150 den Spitzenhohlraum 155 an der Spitze 137 der Turbinenschaufel 115 definiert. Fachleute wissen, dass die in dieser Weise konfigurierte Spitze 137, d. h. eine mit einem solchen Spitzenhohlraum 155, oft als „Squealer-Spitze“ oder eine Spitze mit einer „Squealer-Tasche oder einem Hohlraum“ bezeichnet wird. Die Höhe und Breite der Druckseitenwandschiene 152 und/oder der Saugseitenwandschiene 154 (und somit die Tiefe des Spitzenhohlraums 155) kann in Abhängigkeit von der besten Leistung und der Größe der gesamten Turbinenanordnung variiert werden. Es versteht sich, dass die Spitzenplatte 148 den Boden des Spitzenhohlraums 155 (d. h. die innere radiale Begrenzung des Hohlraums) bildet, die Spitzenschiene 150 die Seitenwände des Spitzenhohlraums 155 bildet und der Spitzenhohlraum 155 durch eine äußere radiale Fläche offen bleibt, die, wenn in einem Turbinenmotor installiert, eng von einer ringförmigen, stationären Turbinenummantelung 120 begrenzt wird (siehe 2), die geringfügig radial davon versetzt ist. Die Endfläche 160 (radial nach außen weisende Schienenoberfläche) der Spitzenschiene 150 kann gegen die ringförmige, stationäre Turbinenummantelung 120 reiben.
Wie in der Technik verstanden wird, kann die Spitzenschiene 150 eine beliebige einer Vielzahl von Kühldurchlässen (nicht dargestellt) aufweisen, die sich durch sie hindurch erstrecken, um die Spitzenschiene zu kühlen. Einige Auslässe 162 dieser Kühldurchlässe werden beispielsweise gezeigt in den 3 und 4. Das Schaufelspitzen-Kühlsystem 200 kann in Übereinstimmung mit der Offenbarung in Spitzenschienen 150 verwendet werden, die derartige Kühldurchlässe nicht einschließen. In diesem Fall kann das Schaufelspitzen-Kühlsystem 200 das einzige vorgesehene Kühlsystem sein. Alternativ kann das Schaufelspitzen-Kühlsystem 200 gemäß der Offenbarung zu einer Spitzenschiene hinzugefügt werden, die bereits solche Kühldurchlässe einschließt, jedoch eine zusätzliche Kühlung erfordert, z. B. in bestimmten Bereichen davon.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht in Nahaufnahme eines veranschaulichenden Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystems 200 (im Folgenden „System 200“ genannt) für eine Turbinenschaufelspitze 237 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Wie in der Technik verstanden wird, kann eine Spitzenschiene 250 eine beliebige einer Vielzahl von Kühldurchlässen (nicht dargestellt) aufweisen, die sich durch sie hindurch erstrecken, um die Spitzenschiene zu kühlen. Einige Auslässe 162 dieser Kühldurchlässe werden beispielsweise gezeigt in den 3 und 4. Das Schaufelspitzen-Kühlsystem 200 kann in Übereinstimmung mit der Offenbarung in Spitzenschienen 250 verwendet werden, die derartige Kühldurchlässe nicht einschließen. In diesem Fall kann das Schaufelspitzen-Kühlsystem 200 das einzige vorgesehene Kühlsystem sein. Alternativ kann das Schaufelspitzen-Kühlsystem 200 gemäß der Offenbarung zu einer Spitzenschiene hinzugefügt werden, die bereits solche Kühldurchlässe einschließt, jedoch eine zusätzliche Kühlung erfordert, z. B. in bestimmten Bereichen davon.
Weiterhin unter Bezugnahme auf 4 ist die Spitze 237 im Wesentlichen ähnlich der Spitze 137 in 3, mit Ausnahme des Spitzenkühleinsatzes bzw. der Spitzenkühleinsätze 200, der bzw. die in der Spitzenschiene 250 vorgesehen sind. Die Spitzenschiene 250 hat eine innere Schienenoberfläche 157, eine äußere Schienenoberfläche 159 und eine Endfläche 160. Im Gegensatz zu konventionellen Spitzenschienen weist die Spitzenschiene 250 auch mindestens eine Spitzenschienentasche 270 auf, die an der Endfläche 160 offen ist. 5 zeigt eine vergrößerte Durchsichtsansicht, und 6 zeigt eine Draufsicht einer veranschaulichenden Spitzenschienentasche 270 ohne einen Spitzenschienen-Kühleinsatz 280 darin. Jede Spitzenschienentasche 270 ist in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum 174, der ein Kühlmittel leitet, z. B. über die Schaufelkühlkanale 272.
Wie in 4 dargestellt, schließt das System 200 auch einen Spitzenschienen-Kühleinsatz 280 ein, der an jeder Spitzenschienentasche 270 angebracht ist. 7 und 8 zeigen perspektivische Ansichten der veranschaulichenden Spitzenschienen-Kühleinsätze 280. Wie dargestellt, schließt jede Spitzenschienenkühlung 280 mindestens einen Einsatzkühlkanal 282 und eine Kühlmittelsammelkammer 284 zum Leiten von Kühlmittel aus den internen Kühlhohlräumen 174 zu den Einsatzkühlkanälen 282 ein. Wie näher beschrieben, können die Einsatzkühlkanäle 282 eine Vielzahl von Wegen durch den Spitzenschienen-Kühleinsatz 280 (im Folgenden einfach „Einsatz 280“ genannt) annehmen. Einer oder mehrere der Einsatzkühlkanäle 282 können durch mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung 286 in einer Endfläche 288 eines jeweiligen Einsatzes 280 austreten. Jede Anzahl von Spitzenschienentaschen 270 und entsprechenden Einsätzen 280, die an jeder der Vielzahl von Spitzenschienentaschen angebracht sind, können in einer Spitzenschiene 250 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann, wie beschrieben wird, eine Kühlung bereitgestellt werden, falls erforderlich. Spitzenschienentaschen 270 können mit allen heute bekannten oder später entwickelten Techniken hergestellt werden. Beispielsweise können für neue Schaufeln Spitzenschienentaschen 270 durch Gießen oder additive Herstellung gebildet werden. Für gebrauchte Schaufeln können Spitzenschienentaschen 270 in der Endfläche 160 der Spitzenschiene gebildet werden, zum Beispiel durch Funkenerodieren (Electro-Discharge Machining, EDM), d. h. durch Ausschneiden eines Teils der Spitzenschiene 250, um die Tasche zu bilden. Falls nicht bereits vorgesehen, können die Schaufelkühlkanale 272 beispielsweise gebohrt werden, um eine Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum 174 zu erzeugen.
9 zeigt eine perspektivische Durchsichtsansicht, und 10 zeigt eine radiale Querschnittsansicht eines veranschaulichenden Einsatzes 280 in einer entsprechenden Spitzenschienentasche 270. Jeder Einsatz 280 ist so geformt und bemessen, dass er eine entsprechende Spitzenschienentasche 270 ergänzt, z. B. Abmessungen, Krümmung usw. Ferner können die Spitzenschienentasche 270 und der Einsatz 280 so konfiguriert werden, dass die Endfläche 288 des Einsatzes 280 im Wesentlichen plan mit der Endfläche 160 der Spitzenschiene 250 ist. Mindestens zwei der Vielzahl von Spitzenschienentaschen 270 können die gleiche geometrische Form und die gleichen Abmessungen aufweisen, wodurch ein Einsatz 280 einer bestimmten Form und Größe für eine Anzahl von Spitzenschienentaschen 270 verwendet werden kann. Alternativ kann jede Einsatz- und Taschenkombination bezüglich der Position auf der Spitzenschiene angepasst werden. Wie in 9 dargestellt, ist die Kühlmittelsammelkammer 284 im Einsatz 280 in Fluidverbindung mit den internen Kühlhohlräumen 174 durch Schaufelkühlkanäle 272, die sich von den internen Kühlhohlräumen 174 bis zu mindestens einer Spitzentaschen-Kühlmittelöffnung 290 (siehe 5, 6 und 10) in der Spitzenschienentasche 270 erstrecken. Wenngleich die Spitzentaschen-Kühlmittelöffnungen 290 in einer Unterseite der Spitzentasche 270 dargestellt sind, können sie sich an jeder beliebigen Stelle befinden, die eine Fluidverbindung mit der Kühlmittelsammelkammer 284 ermöglicht. Die Kühlmittelsammelkammer 284 wird in vielen der hierin veranschaulichten Ausführungsformen als sich über den größten Teil einer Länge von Einsätzen 280 erstreckend dargestellt. Es wird jedoch erkannt, dass eine solche Positionierung nicht in allen Fällen notwendig sein muss und Kammer 284 eine Vielzahl von Formen annehmen kann, siehe z. B. 19.
In einer Ausführungsform, wie beispielsweise in den 7 und 8 dargestellt, ist der Einsatz 280 eine monolithische Struktur. In diesem Fall schließt der Einsatz 280 einen Körper 294 mit Einsatzkühlkanälen 282 und einer darin ausgebildeten Kühlmittelsammelkammer 284 ein. Der Einsatz 280 kann durch Bereitstellen eines Materialblocks und Bearbeiten der Kanäle 282 und der Kammer 284 darin hergestellt werden. Alternativ kann der Einsatz 280 additiv hergestellt werden. Der Einsatz 280 kann eine Superlegierung einschließen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Superlegierung“ auf eine Legierung mit zahlreichen hervorragenden physikalischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen, wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf: hohe mechanische Festigkeit, hohe thermische Kriechverformungsbeständigkeit, wie N400 oder N500, Rene 108, CM247, Haynes-Legierungen, Incalloy, MP98T, TMS-Legierungen, CMSX-Einkristalllegierungen. In einer Ausführungsform sind Superlegierungen, für die die Lehre der Offenbarung besonders vorteilhaft sein können, solche Superlegierungen mit einem hohen Gamma-Prime-Wert (γ). „Gamma prime“ (γ') ist die primäre Verfestigungsphase in Nickelbasislegierungen. Beispielhafte Superlegierungen mit hohem Gamma-Wert umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: Rene 108, N5, GTD 444, MarM 247 und IN 738.
In einer anderen Ausführungsform, wie beispielsweise in der perspektivischen Ansicht von 11 und der damit verbundenen, teilweise auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht von 12 kann der Spitzenschienen-Kühleinsatz 280 eine geschichtete Vielzahl von Materialschichten 300 einschließen. Das heißt, der Einsatz 280 wird durch Schichten einer Vielzahl von Materialschichten 300 gebildet. Zum Beispiel kann eine innere Schicht (Körper) 302 einen offenen Kühlmittelwegbereich 308 einschließen, der die Kühlkanäle 282 darin definiert. Die innere Schicht 302 kann sandwichartig zwischen einem Paar äußerer Schichten 304 angeordnet sein, um Kühlkanäle 282 zu bilden. Das heißt, das Ausbilden des Einsatzes 280 schließt das Bereitstellen der inneren Schicht 302 mit dem offenen Kühlmittelwegbereich 308 darin und die sandwichartige innere Schicht 302 zwischen benachbarten äußeren Schichten 304 ein, um die Einsatzkühlkanäle 282 aus dem offenen Kühlmittelwegbereich 308 zu bilden. Die innere Schicht 302 kann eine beliebige Anzahl von Stücken einschließen, z. B. eine oder mehrere. Ein Paar Endkappenschichten 306 kann ebenfalls verwendet werden, falls erforderlich oder gewünscht, um Enden der inneren Schicht 302 zu ummanteln. Die innere Schicht 302 kann beispielsweise eine Superlegierung einschließen, und eine oder mehrere der Materialschichten 300, z. B. die äußeren Schichten 304, 306, können einen vorgesinterten Vorformling (Pre-Sintered Preform, PSP) einschließen.
Erneut Bezug nehmend auf die 9 und 10, führt das Anbringen des Einsatzes 280 an die Spitzenschienentasche 270 zu einer Fluidverbindung der Kühlmittelsammelkammer 284 mit den internen Kühlhohlräumen 174, so dass das Kühlmittel durch die Kammer 284 zu den Kühlkanälen 282 strömen kann, um die Spitzenschiene 250 zu kühlen. Das Kühlmittel kann durch die Austrittsöffnungen 286 austreten (9). In einer Ausführungsform ist der Spitzenschienen-Kühleinsatz 280 an die Spitzenschienentasche 270 durch Löten des Einsatzes 280 an die Tasche angebracht. Hier kann die Kühlmittelsammelkammer 284 als ein Lötaufnahmebehälter für überschüssiges Löten dienen, wodurch versehentliches Füllen der Spitzentaschen-Kühlmittelöffnungen 290 in der Spitzenschienentasche 270 verhindert wird. Wenn ein PSP verwendet wird, kann das Anbringen des Einsatzes 280 ein Erwärmen der Materialschichten des PSP einschließen. Auf diese Weise kann der PSP weicher werden, wodurch eine leichte Montage, gefolgt von einer starken Haftung in der Tasche 270 beim Abkühlen ermöglicht wird. Alle heute bekannten oder später entwickelten Herstellungstechniken können zusätzlich angewendet werden, falls erforderlich, um den Einsatz 280 in die Tasche 270 zu koppeln, z. B. Wärmeanwendung zur Erleichterung des Einsetzens usw.
Unter erneuter Bezugnahme auf 6, und zusätzlich zu der perspektivischen Ansicht von 13, werden veranschaulichende Formen der Spitzenschienentasche 270 und des Einsatzes 280 beschrieben. Im Allgemeinen kann die Spitzenschienentasche 270 jede gewünschte Form annehmen, um eine entsprechende Form und Größe des Einsatzes 280 aufzunehmen. In den beschriebenen Ausführungsformen ist die Spitzenschienentasche 270 zur Endfläche 160 hin offen, so dass der Einsatz 280, d. h. eine Endfläche 288 davon, die Lücke in der Endfläche 160 der Spitzenschiene 250 füllen kann. In einigen Ausführungsformen können die Spitzenschienentasche 270 und der Einsatz 270 komplementär entlang ihrer Länge und/oder Höhe und/oder Breite gekrümmt sein, dies ist jedoch nicht in allen Fällen erforderlich. Die Abmessungen variieren in Abhängigkeit von der Größe der Spitzenschiene 250. In einem Beispiel können die Länge des Einsatzes 280 und die Spitzenschienentasche 270 bis zu 1 Zentimeter betragen. Bei den Ausführungsformen der 5 und 6, ist die Spitzenschienentasche 270 mit einem offenen Ende 310 und mit fünf Oberflächen 312A-E gebildet. Jede Oberfläche 312A-E ist so konfiguriert, dass sie mit einer Außenseite des Einsatzes 270 zusammenpasst. Jedoch kann die Spitzenschienentasche 270 eine Vielfalt von anderen Formen annehmen. In einer Ausführungsform, die in 13 dargestellt ist, kann die Spitzenschienentasche 270 so ausgebildet sein, dass sie mindestens vier Oberflächen 312A-D zum Eingreifen mit dem Einsatz 280 aufweist. Hier wird eine Innenwand der Spitzenschiene 250, d. h. diejenige, die die innere Schienenoberfläche 157 bereitstellt, entfernt. Die Oberflächen 312B und 312D können in Bezug auf die Oberfläche 312A nach innen abgewinkelt sein (siehe Winkel α1 und α2). Ein Einsatz 280 kann so geformt sein, dass er die Spitzenschienentasche 270 ergänzt, d. h mit abgewinkelten Seitenwänden 314 an α1 und α2 relativ zu einem Boden 316 des Einsatzes 280. Wie in 14 dargestellt, kann der Einsatz 280 in Position von dem Spitzenhohlraum 155 geschoben werden. Auf diese Weise ist der Einsatz 230 radial eingerastet durch die abgewinkelten Oberflächen 312B, 312D und die Wände 314 und kann in Position gelötet werden, um eine Bewegung aus der Tasche 270 zu verhindern. In dieser Einstellung stellt der Einsatz 280 auch einen fehlenden Teil 318 der inneren Schienenoberfläche 157 bereit, d. h. er vervollständigt die Oberfläche 157. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet der Technik erkennt, können die Spitzenschienentasche 270 und der Einsatz 280 in einer Vielzahl von alternativen komplementären Formen gebildet werden, die alle als innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung betrachtet werden.
Unter Bezugnahme auf die 7-9, 13 und 15-22, können die Einsatzkühlkanäle 282 eine beliebige einer großen Vielfalt von Wegen durch den Einsatz 280 annehmen. 7 zeigt die Einsatzkühlkanäle 282 mit einem Paar von Kanälen 320, die sich in einem quadratischen, sinusförmigen Muster erstrecken, wobei jeder mit der Kammer 284 gekoppelt ist und jeweils eine eigene Austrittsöffnung 286 aufweist. 8 zeigt die Einsatzkühlkanäle 282, die sich in einem Kreuzungsmuster von der Kammer 284 erstrecken, um eine Gitterkonfiguration 322 zu erzeugen. Diese Anordnung weist eine große Anzahl von Austrittsöffnungen 286 auf und kann oder kann nicht Kanäle 282 aufweisen, die sich fluidisch kreuzen, d. h. dort, wo sie auf ihren Längen in unmittelbarer Nähe liegen. 13 zeigt die Einsatzkühlkanäle 282, die sich einfach radial von der Kammer 284 erstrecken. 15 zeigt die Einsatzkühlkanäle 282, die sich von der Kammer 284 in einem spiralförmigen Muster 324 erstrecken. Jeder Kanal 282 in 15 hat seine eigene Austrittsöffnung 286, dies trifft jedoch nicht für alle Fälle zu. 15 zeigt auch einen Mitteleinsatz-Durchlaufkanal 330 zwischen der Kühlmittelsammelkammer 284 und mindestens eine Austrittsöffnung 286. Der Mitteleinsatz-Durchlaufkanal 330 kann zwei oder mehr Einsatzkühlkanäle 282 miteinander verbinden. Obwohl nur in der Ausführungsform von 15 gezeigt, wird anerkannt, dass der Mitteleinsatz-Durchlaufkanal 330 in jeder hierin offenbarten Ausführungsform verwendet werden kann. 16 zeigt den Einsatzkühlkanal 282 (nur ein langer Kanal wird verwendet), der sich in einem abgerundeten sinusförmigen Muster 326 erstreckt. 17 zeigt einen Einsatz 280 des Typs, der in einer Öffnung einer Spitzenschienentasche 270 durch die innere Schienenoberfläche 157 verwendet werden würde, d. h. ähnlich zu den 13 bis 14.
Hier verlaufen die inneren Kühlkanäle 282 in einem Paar U-förmiger Muster zu länglichen Austrittsöffnungen 286, die in den Spitzenhohlraum 155 zeigen (4). Einsatz 280, wie in 17 gezeigt, schließt keine abgewinkelten Seitenwände 314 ein, wie in 13 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass derartige abgewinkelte Wände vorgesehen sein könnten, wenn dies erwünscht ist. Kammer 284 haben Zufuhrdurchlässe (nicht dargestellt), die sich durch eine Rückseite des Einsatzes erstrecken.
18 und 19 zeigen perspektivische Ansichten von alternativen Ausführungsformen einer inneren Schicht 302 für die geschichteten Materialschicht-Ausführungsformen ( 11 bis 12), die einen anderen offenen Kühlmittelwegbereich 308 aufweisen und darin Einsatzkühlkanäle 282 definieren. 18 zeigt eine zweiteilige innere Schicht 302, die ein Paar Wege mit schlangenförmigem Muster 350 aufweisen, und 19 zeigt einteilige innere Schicht 302, die ein Paar Wege mit schlangenförmigem Muster 352 aufweisen. Es wird betont, dass auch eine große Vielfalt alternativer offener Kühlmittelpfadbereiche möglich ist. Jede innere Schicht 302 kann sandwichartig zwischen den äußeren Schichten 304 (12) angeordnet sein, zur Bildung des Einsatzes 280, wie hierin beschrieben.
Obwohl jede andere Ausführungsform Einsatzkühlkanäle 282 in einem bestimmten Muster zeigt, versteht es sich, dass Muster von den verschiedenen Ausführungsformen miteinander gemischt werden können. So könnte beispielsweise von den Kühlkanälen 282 in einem Einsatz 280 mindestens einer ein schlangenförmiges Muster, ein Kreuzungsmuster und ein spiralenförmiges Muster aufweisen, und mindestens ein anderer könnte eines der anderen Muster aufweisen. Einige der hierin beschriebenen Einsätze 280 müssen additiv hergestellt werden; andere können jedoch durch Gießen oder eine Materialentfernungstechnik geformt werden, möglicherweise durch Funkenerodieren (EDM), Drahterodieren und/oder Laserschneiden, um bestimmte Merkmale zu erzeugen, z. B. Kanäle 282, die Kammer 284, usw. Obwohl hierin besondere Beispiele für einen Einsatzkühlkanal bzw. Einsatzkühlkanäle 282 veranschaulicht wurden, versteht es sich, dass andere möglich sind und innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung berücksichtigt werden. Jede der hierin beschriebenen oder anderweitig verfügbaren Vielzahl von Kühlkanalanordnungen kann adaptive Kühlkanäle einschließen, d. h. solche, die das Öffnen anderer Kühlkanäle ermöglichen, wenn ein Kanal zerstört oder verstopft ist. Auf diese Weise kann der Einsatzkühlkanal bzw. können die Einsatzkühlkanäle 282 Umverteilungsleitungen bilden, die eine beliebige einer Vielzahl von Verzweigungskühlleitungen verbinden, um den Kühlbetrieb während der Reibung fortzusetzen, durch die das Material der Spitzenschiene entfernt wird oder durch die die oberen Kanäle und/oder die Austrittsöffnungen 286 wahllos verstopft werden.
20 ist eine perspektivische Ansicht eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes 280 in einer Spitzenschienentasche 270, die eine oder mehrere seitliche Austrittsöffnungen 287 einschließt, gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung. In dieser Ausführungsform werden die Einsatzkühlkanäle 282 schlangenförmig dargestellt. Es wird jedoch betont, dass sie jede hierin beschriebene Form annehmen können. In dieser Ausführungsform, anstatt von der Endfläche 288 auszutreten (z. B. 7-8), schließen die Einsatzkühlkanäle 282 mindestens eine seitliche Austrittsöffnung 287 für das Kühlmittel in einer Seitenoberfläche des entsprechenden Spitzenschienen-Kühleinsatzes 280 ein. Hier kann Kühlmittel aus den Einsatzkühlkanälen 282 über die seitlichen Austrittsöffnungen 287 zu einer Seite des Spitzenschienen-Kühleinsatzes 280 austreten, d. h. zu einer Fläche, die gegen die Spitzenschienentasche 270 oder in den Spitzenhohlraum 155 gerichtet ist (wie vorgesehen in 13). Die seitlichen Austrittsöffnungen 287 können zum Spitzenhohlraum 155 hin offen sein (z. B., wenn sie in der Ausführungsform von 13 verwendet werden), oder gegen eine Innenfläche geschlossen sein (z. B. 312C in 13) der Spitzenschienentasche 270, um als Teil eines adaptiven Kühlsystems geöffnet zu werden. Alternativ kann ein äußerer Kühlmitteldurchlass 400 von einer Außenfläche der Spitzenschiene 250, z. B. von der konkaven Druckseitenwand 128 oder der konvexen Saugseitenwand 130 zu den seitlichen Austrittsöffnungen 287 bereitgestellt werden, um einen Kühlfilm auf beispielsweise den Seitenwänden 128, 130 zu erzeugen. Das heißt, an den Seitenwänden 128, 130 kann vom Spitzenschienen-Kühleinsatz 280 ein Kühlfilm bereitgestellt werden. Der äußere Kühlmitteldurchlass 400 kann ferner durch die innere Schienenoberfläche 157 der Spitzenschiene 250 verlaufen, um, falls erwünscht, in den Spitzenhohlraum 155 auszutreten. Die seitlichen Austrittsöffnungen 287 können als Teil des Spitzenschienen-Kühleinsatzes 280 ausgebildet sein, z. B. während der additiven Herstellung dieser.
Alternativ können die seitlichen Austrittsöffnungen 287 mit dem äußeren Kühlmitteldurchlass 400 ausgebildet werden, indem beispielsweise von einer Außenfläche des Spitzenschienen-Kühleinsatzes 280 in die Einsatzkühlkanäle 180 gebohrt wird oder von einer Außenfläche der Spitzenschiene 250, wie einer Seitenwand 128 oder 130, durch die Seitenwand und in die Einsatzkühlkanäle 282 (siehe 20) und/oder die Kühlmittelsammelkammer 284 gebohrt wird. Es kann eine beliebige Anzahl von seitlichen Austrittsöffnungen 287 (mit oder ohne äußere Kühlmitteldurchlässe 400) bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann der Kühlfilm, falls erforderlich, bereitgestellt werden.
Ausführungsformen der Offenbarung stellen eine verbesserte und auswählbare Schaufelspitzenkühlung bereit, um Kühlstromanforderungen zu reduzieren. Die Einsatzkühlkanäle können eine Vielzahl von Formen annehmen, um eine breite Vielfalt der gewünschten Kühlung bereitzustellen. Der Spitzenschienen-Kühleinsatz ermöglicht eine selektiv platzierte Kühlung der Spitzenschiene bei gebrauchten oder neuen Turbinenschaufeln. Das heißt, der Spitzenschienen-Kühleinsatz kann den Bereichen der Spitze und/oder der Spitzenschiene Kühlmittel zuführen, z. B. auf die Saugseite, den hinteren Abschnitt davon, der im Vergleich zu anderen Teilen der Spitze eine zusätzliche Kühlung erfordert. Der Spitzenschienen-Kühleinsatz kann auch die Kühlung der Spitzenschiene verbessern, während Kühlmittel durch sie hindurch dosiert wird. Der Spitzenschienen-Kühleinsatz kann auch gegen Verstopfung durch Staub helfen. Das Schaufelblatt 124, die Spitze 137, 237 und der Einsatz 280 können unter Verwendung aller heute bekannten oder später entwickelten Prozesse, wie Gießen und additive Herstellung, gefertigt werden. Es ist jedoch anzumerken, dass sich viele Ausführungsformen des Einsatzes 280 besonders für die additive Herstellung eignen.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch das Vorhandensein von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen oder Hinzufügen. „Optional“ oder „gegebenenfalls“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der Umstand eintreten kann oder nicht, und dass die Beschreibung Fälle enthält, in denen das Ereignis eintritt, und Fälle, in denen dies nicht der Fall ist.
Eine Annäherungssprache, wie sie hierin in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewendet werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die zulässig variieren könnte, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion zu führen, auf die sie sich bezieht. Dementsprechend ist ein Wert, der durch einen Begriff oder Begriffe wie „ungefähr“, „annähernd“ und „wesentlich“ modifiziert ist, nicht auf den genau angegebenen Wert zu beschränken. Mindestens in einigen Fällen kann die Annäherungsformulierung der Genauigkeit eines Instruments zum Messen des Werts entsprechen. Hier und in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen kombiniert und/oder ausgetauscht werden, wobei solche Bereiche identifiziert werden und alle darin enthaltenen Unterbereiche umfassen, sofern der Kontext oder die Sprache nichts anderes angeben. „Annähernd“, bezogen auf einen bestimmten Wert eines Bereichs, gilt für beide Werte und kann, sofern nicht anders angegeben, in Abhängigkeit von der Genauigkeit des Instruments, das den Wert misst, +/- 10 % der angegebenen Werte anzeigen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Stufen plus Funktionselemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen jede Struktur, jedes Material oder jede Handlung zum Ausführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen umfassen, wie speziell beansprucht. Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt, soll jedoch nicht erschöpfend sein oder auf die Offenbarung in der offenbarten Form beschränkt sein. Für den Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen offensichtlich, ohne vom Umfang und Geist der Offenbarung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und um es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Offenbarung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, die für die jeweilige vorgesehene Verwendung geeignet sind.

Claims

Was beansprucht ist:
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200), das Folgendes umfasst: eine Turbinenschaufel (115) mit einem Spitzenhohlraum (155), eine Spitzenschiene (150), die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums (155) umgibt und mindestens einen internen Kühlhohlraum (174); wobei die Spitzenschiene (150) eine innere Schienenoberfläche (157), eine äußere Schienenoberfläche (159), eine Endfläche (160, 288) und mindestens eine Spitzenschienentasche (270) aufweist, die an der Endfläche (160, 288) offen und in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum (174) ist, der ein Kühlmittel leitet; und einen Spitzenschienen-Kühleinsatz (280), der an der mindestens einen Spitzenschienentasche (270) angebracht ist, wobei der Spitzenschienen-Kühleinsatz (280) mindestens einen Einsatzkühlkanal (180) darin und eine Kühlmittelsammelkammer (284, 384) zum Leiten von Kühlmittel von dem mindestens einen internen Kühlhohlraum (174) zu dem mindestens einen Kühlmittelkanal (180) aufweist.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelsammelkammer (284, 384) in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum (174) durch mindestens einen Schaufelkühlkanal (282) ist, der sich von dem mindestens einen internen Kühlhohlraum (174) zu mindestens einer Spitzentaschen-Kühlmittelöffhung (290) in der Spitzenschienentasche (270) erstreckt.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Spitzenschienentasche (270) mindestens vier Flächen (312A-E, 312B) (312A-D) zum Einrasten des Spitzenschienen-Kühleinsatzes (280) einschließt.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 1, ferner einschließend eine Vielzahl von Spitzenschienentaschen (270) und einen Spitzenschienen-Kühleinsatz (280), der an jeder der Vielzahl von Spitzenschienentaschen (270) angebracht ist.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 4, wobei mindestens zwei der Vielzahl von Spitzenschienentaschen (270) dieselbe geometrische Form und dieselben Abmessungen aufweisen.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 1, wobei der Spitzenschienen-Kühleinsatz (280) eine monolithische Struktur ist.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 1, wobei der Spitzenschienen-Kühleinsatz (280) aus einer Vielzahl von Materialschichten (300) geschichtet ist.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 7, wobei mindestens eine der Materialschichten (300) ein vorgesinterter Vorformling ist.
Turbinenschaufelspitzen-Kühlsystem (200) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Einsatzkühlkanal (180) mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung (286) in der Endfläche (160, 288) des entsprechenden Spitzenschienen-Kühleinsatzes (280) einschließt.
Verfahren zum Kühlen einer Turbinenschaufelspitze (137, 237), das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Turbinenschaufel mit einem Spitzenhohlraum (155), einer Spitzenschiene (150), die mindestens einen Abschnitt des Spitzenhohlraums (155) umgibt und mindestens einen internen Kühlhohlraum (174), der konfiguriert ist, um ein Kühlmittel zuzuführen, wobei die Spitzenschiene (150) eine innere Schienenoberfläche (157), eine äußere Schienenoberfläche (159) und eine Endfläche (160, 288) aufweist; Ausbilden einer Spitzenschienentasche (270) in der Endfläche (160, 288) der Spitzenschiene (150), wobei die Spitzenschienentasche (270) eine Spitzentaschen-Kühlmittelöffnung (290) in Fluidverbindung mit dem mindestens einen internen Kühlhohlraum (174) einschließt; Ausbilden eines Spitzenschienen-Kühleinsatzes (280) mit einer Kühlmittelsammelkammer (284, 384), die für die Fluidverbindung mit der Spitzentaschen-Kühlmittelöffnung (290) und mindestens einem Einsatzkühlkanal (180) in Fluidverbindung mit der Kühlmittelsammelkammer (284, 384) konfiguriert ist, wobei der Spitzenschienen-Kühleinsatz (280) so bemessen und geformt ist, dass er in die Spitzenschienentasche (270) greift; und Anbringen des Spitzenschienen-Kühleinsatzes (280) an der Spitzenschienentasche (270), um die Kühlmittelsammelkammer (284, 384) fluidisch mit dem internen Kühlhohlraum (174) zu verbinden.