DE102020106128A1

DE102020106128A1 - Strömungsmaschinenkomponente für eine gasturbine und eine gasturbine, die dieselbe besitzt

Info

Publication number: DE102020106128A1
Application number: DE102020106128.5A
Authority: DE
Inventors: Herbert Brandl; Willy Hofmann; Jörg Krueckels; Ulrich Rathmann
Original assignee: Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
Current assignee: Doosan Enerbility Co Ltd
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-09
Also published as: KR20210113572A; KR102553194B1

Abstract

Die vorliegende Technik stellt eine Strömungsmaschinenkomponente dar, die ein Schaufelblatt wie z. B. ein Rotorblatt oder eine Schaufel einer Gasturbine besitzt. Die Strömungsmaschinenkomponente enthält eine Plattform und ein Schaufelblatt, das sich von der Plattform erstreckt. Das Schaufelblatt enthält eine Druckseite, eine Sogseite, eine Vorderkante und eine Hinterkante, die einen Innenraum des Schaufelblatts definieren. Mindestens ein Kühlkanal ist im Innenraum gebildet und erstreckt sich in einer Längsrichtung des Schaufelblatts. Das Schaufelblatt enthält mindestens einen Steg, der sich zwischen der Druckseite und der Sogseite des Schaufelblatts erstreckt. Ein Durchflussdeflektor steht vom Steg in den Kühlkanal nach außen vor und ist derart geformt, dass er mindestens einen Teil der Kühlluft, die im Kühlkanal strömt, zu einem Zielbereich auf der Druckseite und/oder auf der Sogseite ablenkt. Der Durchflussdeflektor kann derart geformt sein, dass ein Blockierungsfaktor aufgrund des Durchflussdeflektors gleich oder größer als 0,15 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschinenkomponente für eine Gasturbine und eine Gasturbine, die dieselbe besitzt, und insbesondere auf das Kühlen von Schaufelblättern von Gasturbinen.
Strömungsmaschinen enthalten verschiedene Strömungsmaschinenkomponenten, die von einem Kühlen, das in einer erhöhten Lebensdauer der Komponenten resultiert, profitieren.
Bestimmte Strömungsmaschinenkomponenten besitzen ein Schaufelblatt, z. B. ein Rotorblatt oder eine Schaufel. Die Schaufelblätter umschließen Innenräume und werden intern oder von innerhalb gekühlt, indem ein Kühlluftdurchfluss durch den Innenraum des Schaufelblatts oder durch einen oder mehrere Kühlkanäle, die im Innenraum des Schaufelblatts gebildet sind, bewirkt wird.
Die Strömungsmaschinenkomponente - die im Folgenden auch als das Rotorblatt oder die Schaufel bezeichnet wird - umfasst im Allgemeinen das Schaufelblatt (das auch als ein Tragflügel bezeichnet wird), das von einer Plattform vorsteht.
Die Plattform ist die Oberfläche, an die das Schaufelblatt angrenzt und von der es vorsteht.
Ein Schaufelblatt für einen Arbeitsfluidpfad einer Strömungsmaschine erstreckt sich in der Spannweitenrichtung von einem Basisteil zu einem Kopfteil. Ein aerodynamischer Körper enthält deshalb eine sogseitige Oberfläche, eine druckseitige Oberfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante.
Während des Betriebs der Gasturbine werden das Schaufelblatt des Rotorblatts oder die Schaufel des Turbinenabschnitts der Gasturbine im Heißgaspfad positioniert. Das Schaufelblatt enthält außerdem einen oder mehrere Stege, die sich von der Druckseite zur Sogseite erstrecken und dadurch Kühlkanäle im Innenraum des Schaufelblatts schaffen. Außerdem schaffen sie eine mechanische Verstärkung des Schaufelblatts. Der Steg unterteilt abhängig von der Anzahl von Stegen den Innenraum des Schaufelblatts in mindestens zwei Kühlkanäle, die sich in der Längsrichtung des Schaufelblatts erstrecken. Kühlluft strömt im Allgemeinen in der Längsrichtung des Schaufelblatts in derartige Kühlkanäle, nachdem sie in das Schaufelblatt eingeleitet wurde. Eine Verbesserung einer derartigen Innenkühlung des Schaufelblatts wird eine vorteilhafte Wirkung auf den Wirkungsgrad der Gasturbine und/oder auf die strukturelle Integrität des Schaufelblatts aufweisen.
Darüber hinaus sind die Wirkungen/die Auswirkungen der thermischen Belastungen, denen die verschiedenen Bereiche oder Teile des Schaufelblatts während des Betriebs der Gasturbine unterworfen werden, nicht homogen. Zum Beispiel können einige Bereiche des Schaufelblatts höhere Beanspruchungen im Vergleich zu weiteren Bereichen erfahren, weil sie wegen ihrer Position oder Orientierung in Bezug auf den Heißgasdurchfluss oder ihrer Form, die den Heißgasdurchfluss aufnimmt, mehr Heißgasdurchfluss aufnehmen und/oder weil sie Schwankungen der Dicke der Wände aufweisen und/oder weil sie eine weniger lokalisierte Kühlung aufweisen usw. Eine Verbesserung der Innenkühlung derartiger Bereiche des Schaufelblatts, die anfällig sind, höhere thermische Belastungen zu erfahren, wird auch eine vorteilhafte Wirkung auf den Wirkungsgrad der Gasturbine und/oder auf die strukturelle Integrität des Schaufelblatts aufweisen.
Darüber hinaus wird zum Kühlen von Komponenten der Gasturbine ein Teil der Luft aus dem Kompressorabschnitt der Gasturbine entnommen und als Kühlluft verwendet und wird veranlasst, zu verschiedenen Abschnitten der Gasturbine, die sich in verschiedenen Entfernungen befinden können, zu strömen. Zum Erreichen eines geeigneten Kühlluftdurchflusses muss der Kühlluftdurchfluss in verschiedenen Bereichen der Strömungsmaschine und auch in verschiedenen Bereichen von Strömungsmaschinenkomponenten bei optimalen Drücken gehalten werden. Außerdem ist das Aufrechterhalten von optimalen Drücken zur wirksamen Prallkühlung wichtig. Allerdings resultiert eine Erhöhung der Luftmenge, die aus dem Kompressor zum Kühlen entnommen wird, in einer Abnahme der Luftmenge, die zur Verbrennung verfügbar ist, was den Wirkungsgrad der Gasturbine negativ beeinträchtigen kann.
Deshalb ist es vorteilhaft, eine Innenkühlung des Schaufelblatts zu verbessern, wobei bevorzugt eine gezielte Kühlung gewünschter Bereiche oder bestimmter Zielbereiche des Schaufelblatts implementiert wird, während ein Druckverlust zu suboptimalen Pegeln mindestens teilweise vermieden wird.
Die oben genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst, bevorzugt durch eine Strömungsmaschinenkomponente für eine Gasturbine. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Technik sind in den abhängigen Ansprüchen vorgesehen.
Derartige Strömungsmaschinenkomponenten, die ein Schaufelblatt enthalten, werden im Folgenden durch ein Rotorblatt veranschaulicht, allerdings ist die Beschreibung auch auf weitere Strömungsmaschinenkomponenten, die ein Schaufelblatt wie z. B. eine Schaufel enthalten, anwendbar, sofern es nicht anders angegeben ist.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Technik wird eine Strömungsmaschinenkomponente für eine Gasturbine präsentiert. Die Strömungsmaschinenkomponente kann eine Plattform und ein Schaufelblatt besitzen.
Das Schaufelblatt kann sich von der Plattform erstreckt. Das Schaufelblatt kann einen Basisteil, der an die Plattform angrenzt, und einen Kopfteil, der vom Basisteil in einer Längsrichtung des Schaufelblatts beabstandet ist, besitzen.
Der Kopfteil sich auch bei einer Plattform oder einer Deckplatte befinden, derart, dass Schaufeln und ummantelte Rotorblätter auch enthalten sind.
Das Schaufelblatt enthält eine Druckseite und eine Sogseite, die sich bei einer Vorderkante und eine Hinterkante treffen. Die Druckseite, die Sogseite, die Vorderkante und die Hinterkante definieren einen Innenraum des Schaufelblatts.
Im Innenraum des Schaufelblatts kann mindestens ein Steg angeordnet sein. Der Steg kann sich zwischen der Druckseite und der Sogseite erstrecken.
Der Innenraum des Schaufelblatts kann mindestens zwei Kühlkanäle zum Kühlluftdurchfluss enthalten. Der Kühlkanal kann sich in der Längsrichtung des Schaufelblatts erstrecken. Der Kühlkanal kann mindestens teilweise durch den Steg und die Druckseite und/oder die Sogseite definiert sein.
Das Schaufelblatt kann ferner einen Durchflussdeflektor enthalten, der vom Steg in den Kühlkanal nach außen vorsteht. Der Durchflussdeflektor kann derart geformt sein, dass er mindestens einen Teil der Kühlluft, die in der Längsrichtung des Schaufelblatts im Kühlkanal strömt, zu mindestens einem Zielbereich auf der Druckseite und/oder auf der Sogseite ablenkt.
Der Durchflussdeflektor kann derart geformt und/oder bemessen sein, dass ein Blockierungsfaktor aufgrund des Durchflussdeflektors gleich oder größer als 0,15 ist, wobei der Blockierungsfaktor bevorzugt gleich oder größer als 0,2 und gleich oder kleiner als 0,5 sein kann.
Der Blockierungsfaktor kann wie folgt definiert sein: $Blockierungsfaktor = \frac{D_{H, w o} - D_{H, w}}{D_{H, w o}},$
wobei
D_H,wo den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals ohne den Durchflussdeflektor repräsentiert und D_H,w den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals mit dem Durchflussdeflektor repräsentiert.
er hydraulische Durchmesser D_H,wo des Kühlkanals ohne den Durchflussdeflektor kann durch Folgendes definiert sein: $D_{H, w o} = 4 \frac{A_{w o}}{P_{w o}},$
wobei
A_wo eine Fläche eines Querschnitts des Kühlkanals ohne den Durchflussdeflektor repräsentiert und P_wo einen Umfang des Querschnitts des Kühlkanals ohne den Durchflussdeflektor repräsentiert.
Der hydraulische Durchmesser (D_H,w) des Kühlkanals mit dem Durchflussdeflektor kann durch Folgendes definiert sein: $D_{H, w} = 4 \frac{A_{w}}{P_{w}},$
wobei
A_w eine Fläche eines Querschnitts des Kühlkanals mit dem Durchflussdeflektor repräsentiert und P_w einen Umfang des Querschnitts des Kühlkanals mit dem Durchflussdeflektor repräsentiert.
Der Kühlkanal kann einen Einlass enthalten, wo der Basisteil des Schaufelblatts eine Oberseite der Plattform trifft.
Der Durchflussdeflektor kann im Schaufelblatt beschränkt oder begrenzt oder vollständig aufgenommen sein, indem er vom Einlass des Kühlkanals beabstandet ist.
Der Durchflussdeflektor kann eine langgestreckte Form besitzen und kann derart orientiert sein, dass er sich zwischen dem Basisteil des Schaufelblatts und dem Kopfteil des Schaufelblatts erstreckt.
In der Strömungsmaschinenkomponente der vorliegenden Technik können mehrere Durchflussdeflektoren vorhanden sein. Die Durchflussdeflektoren können in einer Anordnung in der Längsrichtung des Schaufelblatts angeordnet sein.
Die Durchflussdeflektoren können stegförmig und/oder stiftrippenförmig sein.
Der Zielbereich kann mindestens ein Wärmeübertragungsverbesserungselement enthalten.
Das Wärmeübertragungsverbesserungselement kann ein Steg und/oder ein Stift und/oder eine Vertiefung sein.
Der Durchflussdeflektor kann derart geformt sein, dass er die Kühlluft zu dem mindestens einen Wärmeübertragungsverbesserungselement derart ablenkt, dass die Kühlluft, die durch den Durchflussdeflektor abgelenkt wird, direkt Auswirkungen auf das mindestens eine Wärmeübertragungsverbesserungselement hat.
Die Aufgabe des Durchflussdeflektors ist, Kühlluft von einer Seite (z. B. der Druckseite) zu einer weiteren Seite (z. B. der Sogseite) zu leiten, um die Wärmeübertragung auf einer weiteren Seite (z. B. der Sogseite) zu verbessern.
Der Durchflussdeflektor kann mit dem Steg einteilig gebildet werden. Alternativ kann der Durchflussdeflektor als eine einzelne Einheit gebildet werden und dann am Steg befestigt werden.
Der Deflektor kann mit dem Steg z. B. durch Hartlöten oder Schweißen verbunden werden.
Der Durchflussdeflektor kann einen Basisabschnitt, der an eine Oberfläche des Stegs angrenzt, von der der Durchflussdeflektor nach außen in den Kühlkanal vorsteht, und einen Kopfabschnitt, der vom Basisabschnitt beabstandet ist, enthalten. Der Kopfabschnitt des Durchflussdeflektors kann freihängend sein, d. h. muss nicht mit einer Wand des Kühlkanals oder einer sonstigen Struktur, die im Kühlkanal angeordnet ist, z. B. an der Wand des Kühlkanals angeordnet ist, in direktem Kontakt sein.
Die Strömungsmaschinenkomponente kann ein Rotorblatt oder eine Schaufel sein.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Technik wird eine Strömungsmaschinenanordnung präsentiert. Die Strömungsmaschinenanordnung enthält mindestens eine Strömungsmaschinenkomponente, wie im Vorhergehenden im ersten Aspekt der vorliegenden Technik beschrieben wurde. Die Strömungsmaschinenkomponente kann ein Rotorblatt oder eine Schaufel einer Gasturbine sein. Die Strömungsmaschinenkomponente kann ein Rotorblatt eines Turbinenabschnitts einer Gasturbine sein und kann an einer Rotorscheibe der Gasturbine montiert sein.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Technik wird eine Gasturbine präsentiert. Die Gasströmungsmaschine kann mindestens eine Strömungsmaschinenanordnung enthalten. Die Strömungsmaschinenanordnung kann gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Technik sein, wie im Vorhergehenden beschrieben ist.
In einem vierten Aspekt der vorliegenden Technik wird eine Gasturbine präsentiert. Die Gasströmungsmaschine kann mindestens eine Strömungsmaschinenkomponente gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Technik enthalten, wie im Vorhergehenden beschrieben ist.
Die oben erwähnten Eigenschaften und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Technik und der Weise, sie zu erreichen, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Technik in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden und die vorliegende Technik selbst wird besser verstanden werden, es zeigen:

1 einen Teil einer Gasturbine in einer Schnittansicht und in den eine Strömungsmaschinenkomponente der vorliegenden Technik aufgenommen ist;
2 schematisch eine Strömungsmaschinenanordnung, in die eine Strömungsmaschinenkomponente der vorliegenden Technik aufgenommen ist;
3A eine vertikale Querschnittansicht, die ein herkömmliches Rotorblatt veranschaulicht;
3B eine horizontale Querschnittansicht, die ein herkömmliches Schaufelblatt im herkömmlichen Rotorblatt von 3A veranschaulicht;
4A eine vertikale Querschnittansicht, die eine beispielhafte Ausführungsform eines Rotorblatts der vorliegenden Technik darstellt, die eine Strömungsmaschinenkomponente gemäß der vorliegenden Technik veranschaulicht;
4B eine horizontale Querschnittansicht, die eine beispielhafte Ausführungsform eines Schaufelblatts der vorliegenden Technik im Rotorblatt von 4A veranschaulicht;
5 schematisch eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Schaufelblatts der vorliegenden Technik, die den Betrieb der vorliegenden Technik veranschaulicht;
6A einen Teil einer Querschnittansicht eines Schaufelblattabschnitts ohne einen Durchflussdeflektor der vorliegenden Technik;
6B einen Teil einer Querschnittansicht eines Schaufelblattabschnitts, der einen Durchflussdeflektor der vorliegenden Technik besitzt; und
7A-7M schematisch verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Durchflussdeflektors der vorliegenden Technik in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Technik.

Im Folgenden werden oben erwähnte und weitere Merkmale der vorliegenden Technik genau beschrieben. Verschiedene Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei ähnliche Bezugszeichen verwendet werden, um im Verlauf auf ähnliche Elemente Bezug zu nehmen. In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der Erläuterung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein genaues Verständnis einer oder mehrerer Ausführungsformen zu schaffen. Es kann erwähnt werden, dass die veranschaulichten Ausführungsformen vorgesehen sind, um die Erfindung zu erläutern, und nicht, um sie zu beschränken. Es kann offensichtlich sein, dass derartige Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können.
1 zeigt ein Beispiel einer Gasturbine 10 in einer Schnittansicht. Die Gasturbine 10 kann in der Durchflussfolge einen Einlass 12, einen Kompressor oder einen Kompressorabschnitt 14, einen Verbrennungsvorrichtungsabschnitt 16 und einen Turbinenabschnitt 18 umfassen, die im Allgemeinen in der Durchflussfolge und im Allgemeinen um eine und in Richtung einer Längsachse oder Drehachse 20 angeordnet sind. Die Gasturbine 10 kann ferner eine Welle 22 umfassen, die um die Drehachse 20 drehbar ist und die sich der Länge nach durch die Gasturbine 10 erstreckt. Die Welle 22 kann den Turbinenabschnitt 18 mit dem Kompressorabschnitt 14 antreibend verbinden.
Im Betrieb der Gasturbine 10 wird Luft 24, die durch den Lufteinlass 12 aufgenommen wird, durch den Kompressorabschnitt 14 komprimiert und zu dem Verbrennungsabschnitt oder dem Brennerabschnitt 16 übermittelt. Der Brennerabschnitt 16 kann einen Brennerraum 26, eine oder mehrere Brennkammern 28 und mindestens einen Brenner 30, der jeweils an der Brennkammer 28 befestigt ist, umfassen. Die Brennkammern 28 und die Brenner 30 können sich im Brennerraum 26 befinden. Die Druckluft, die den Kompressor 14 durchläuft, kann in einen Diffusor 32 eintreten und kann aus dem Diffusor 32 in den Brennerraum 26 ausgestoßen werden, von wo ein Teil der Luft in den Brenner 30 eintreten kann und mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff gemischt wird. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird dann verbrannt und das Verbrennungsgas 34 oder das Arbeitsgas aus der Verbrennung wird durch die Brennkammer 28 über einen Übergangskanal 17 zum Turbinenabschnitt 18 geleitet.
Diese beispielhafte Gasturbine 10 kann ein rohrförmige Verbrennungsvorrichtungsabschnittsanordnung 16 besitzen, die durch eine ringförmige Anordnung von Verbrennungsvorrichtungsrohren 19 gebildet wird, die jeweils den Brenner 30 und die Brennkammer 28 besitzen, wobei der Übergangskanal 17 einen im Allgemeinen kreisförmigen Einlass als Schnittstelle zur Brennkammer 28 und einen Auslass in Form eines ringförmigen Segments besitzt. Eine ringförmige Anordnung von Übergangskanalauslässen kann einen Ringraum zum Leiten der Verbrennungsgase zur Turbine 18 bilden.
Der Turbinenabschnitt 18 kann mehrere Rotorblattträgerscheiben 36 umfassen, die an der Welle 22 angebracht sind. Im vorliegenden Beispiel sind zwei Scheiben 36, die jeweils eine ringförmige Anordnung von Turbinenschaufeln 38 tragen, dargestellt. Allerdings kann die Anzahl von Rotorblattträgerscheiben verschieden sein, d. h. lediglich eine Scheibe oder mehr als zwei Scheiben. Zusätzlich können Leitschaufeln 40, die an einem Stator 42 der Gasturbine 10 befestigt sind, zwischen den Reihen ringförmiger Anordnungen von Turbinenschaufeln 38 angeordnet sein. Zwischen dem Ausgang der Brennkammer 28 und den vorlaufenden Turbinenschaufeln 38 können Einlassleitschaufeln 44 vorgesehen sein und den Arbeitsgasdurchfluss auf die Turbinenschaufeln 38 umlenken.
Das Verbrennungsgas aus der Brennkammer 28 tritt in den Turbinenabschnitt 18 ein und steuert die Turbinenschaufeln 38 an, die wiederum die Welle 22 drehen. Die Leitschaufeln 40, 44 dienen dazu, den Winkel des Verbrennungsgases oder des Arbeitsgases an den Turbinenschaufeln 38 zu optimieren.
Der Turbinenabschnitt 18 steuert den Kompressorabschnitt 14 an. Der Kompressorabschnitt 14 umfasst eine axiale Reihe von Schaufelreihen 46 und Rotorblattreihen 48. Die Rotorblattreihen 48 können eine Rotorscheibe umfassen, die eine ringförmige Anordnung von Rotorblättern trägt. Der Kompressorabschnitt 14 kann auch ein Gehäuse 50 umfassen, das die Rotorreihen umgibt und die Schaufelreihen 48 trägt. Die Leitschaufelreihen können eine ringförmige Anordnung von radial verlaufenden Schaufeln, die am Gehäuse 50 montiert sind, enthalten. Die Schaufeln sind vorgesehen, um einen Gasdurchfluss in einem optimalen Winkel für die Rotorblätter bei einem gegebenen Gasturbinenbetriebspunkt zu präsentieren. Einige der Leitschaufelstufen können veränderbare Schaufeln besitzen, wobei der Winkel der Schaufeln um ihre eigene Längsachse bezüglich des Winkels gemäß Luftdurchflusseigenschaften, die bei verschiedenen Turbinenbetriebsbedingungen auftreten können, angepasst werden kann. Das Gehäuse 50 kann eine radiale Außenfläche 52 des Durchgangs 56 des Kompressors 14 definieren. Eine radiale Innenfläche 54 des Durchgangs 56 kann mindestens teilweise durch eine Rotortrommel 53 des Rotors, die teilweise durch die ringförmige Anordnung von Rotorblättern 48 definiert sein kann, definiert werden.
Die vorliegende Technik wird unter Bezugnahme auf die oben beschriebene beispielhafte Gasturbine, die eine einzelne Welle oder Spule besitzt, die einen einzelnen mehrstufigen Kompressor und eine einzelne ein- oder mehrstufige Turbine verbindet, beschrieben. Allerdings ist zu bedenken, dass die vorliegende Technik auf Gasturbinen mit zwei oder drei Wellen ebenso anwendbar ist und für Industrie-, Luftfahrt- oder Marine-Anwendungen verwendet werden kann.
Die Ausdrücke stromaufwärts und stromabwärts beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Luftdurchflusses und/oder des Arbeitsgasdurchflusses durch die Gasturbine, sofern es nicht anders angegeben ist. Die Ausdrücke vorwärts und rückwärts beziehen sich auf den allgemeinen Gasdurchfluss durch die Gasturbine. Die Ausdrücke axial, radial und in Umfangsrichtung werden unter Bezugnahme auf die Drehachse 20 der Gasturbine verwendet.
In der vorliegenden Technik wird eine Strömungsmaschinenkomponente 1 präsentiert, die ein Schaufelblatt 100 enthält - wie z. B. in 4A, 4B und 5 gezeigt ist. Die Strömungsmaschinenkomponente 1 der vorliegenden Technik kann das Rotorblatt 38 der Gasturbine 10, die im Vorhergehenden beschrieben ist, sein. Die Strömungsmaschinenkomponente 1 der vorliegenden Technik kann die Schaufel 40,44 der Gasturbine 10, die im Vorhergehenden beschrieben ist, sein. Im Folgenden wurde aus Gründen der Einfachheit und der Kürze und nicht dazu bestimmt, eine Einschränkung zu sein, sofern es nicht anders angegeben ist, die Strömungsmaschinenkomponente 1 als ein Rotorblatt der Gasturbine veranschaulicht und auch als eine solche bezeichnet, allerdings kann erwähnt werden, dass die Strömungsmaschinenkomponente 1 gemäß der vorliegenden Technik auch eine weitere Strömungsmaschinenkomponente 1, die ein Schaufelblatt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Technik enthält, sein kann, z. B. kann die Strömungsmaschinenkomponente 1 eine Schaufel 40, 44 sein.
2 stellt schematisch ein Beispiel einer Strömungsmaschinenanordnung dar. Die Anordnung kann die Turbinenschaufeln 38 als die Strömungsmaschinenkomponente 1, die an der Rotorscheibe 36 angeordnet ist, enthalten. Die Turbinenschaufel 38 kann eine Plattform 200, ein Schaufelblatt 100 und wahlweise eine Wurzel 300 enthalten. Das Rotorblatt 38 kann über die Wurzel 300 an der Scheibe 36 befestigt oder montiert sein.
Im Folgenden wird eine Strömungsmaschinenkomponente 1 gemäß der vorliegenden Technik unter Bezugnahme auf das Beispiel von 4A und 4B in Kombination mit dem Beispiel von 2 und im Vergleich zu 3A und 3B erläutert. 3A und 3B repräsentieren ein herkömmliches Rotorblatt 38' zum vergleichenden Verständnis der Strömungsmaschinenkomponente 1 der vorliegenden Technik.
Die Strömungsmaschinenkomponente 1 enthält eine Plattform 200 und ein Schaufelblatt 100, das sich von der Plattform 200 erstreckt. Die Plattform 200 kann eine Oberseite 201 und eine Unterseite 210 enthalten. Das Schaufelblatt 100 kann sich von der Oberseite 201 der Plattform 200 erstrecken. Die Oberseite 201 kann sich in Umfangsrichtung um die Drehachse der Scheibe und axial in Richtung der Welle erstrecken. Entsprechend kann sich die Unterseite 210 in Umfangsrichtung und axial erstrecken. Das Schaufelblatt 100 erstreckt sich von der Oberseite 201 der Plattform 200 radial nach außen oder von außerhalb des Gehäuses oder der Plattform radial nach innen.
Das Schaufelblatt 100 enthält eine Druckseite 102 (die auch als Druckfläche oder konkave Oberfläche/Seite bezeichnet wird) und eine Sogseite 104 (die auch als Sogseite oder konvexe Oberfläche/Seite bezeichnet wird). Die Druckseite 102 und die Sogseite 104 treffen einander bei einer Vorderkante 106 und einer Hinterkante 108 des Schaufelblatts 100.
Das Schaufelblatt 100 kann einen Basisteil 100b, der an die Plattform 200 angrenzt, und einen Kopfteil 100a, der vom Basisteil 100b in einer Längsrichtung A des Schaufelblatts 100 beabstandet ist, besitzen. Eine Höhe des Schaufelblatts 100 kann als eine Entfernung zwischen dem Kopfteil 100a und dem Basisteil 100b des Schaufelblatts oder mit anderen Worten eine Entfernung zwischen einer Spitze des Schaufelblatts und der Oberseite 201 der Plattform 200 verstanden werden. Einfach ausgedrückt kann die Höhe des Schaufelblatts 100 als eine vorstehende Gesamtlänge des Schaufelblatts 100 von der Oberseite 201 der Plattform 200 verstanden werden.
Die Druckseite 102, die Sogseite 104, die Vorderkante 106 und die Hinterkante 108 definieren einen Innenraum 100s des Schaufelblatts 100. Der Innenraum 100s des Schaufelblatts 100 kann durch den Kopfteil 100a und den Basisteil 100b des Schaufelblatts 100 beschränkt sein.
Der Innenraum kann sich weiter erstrecken oder kann durch die Plattform und die Wurzel verbunden sein. Die Kühlluftzufuhr kann bei der Unterseite der Wurzel vorgesehen sein.
Mindestens ein Steg 60 kann im Innenraum 100s des Schaufelblatts 100 angeordnet sein. Der Steg 60 kann sich zwischen der Druckseite 102 und der Sogseite 104 erstrecken. Genauer kann sich jeder Steg 60 zwischen einer Innenfläche einer Wand des Schaufelblatts 100 bei der Druckseite 102 des Schaufelblatts 100 und einer Innenfläche der Wand des Schaufelblatts 100 bei der Sogseite 104 des Schaufelblatts 100 erstrecken. Es kann erwähnt werden, dass, obwohl das Beispiel von 4B beispielhaft vier derartige Stege 60 zeigt, das Schaufelblatt 100 1 oder 2 oder 3 oder 5 oder mehr Stege 60 besitzen kann. Jeder Steg 60 ist mit der Druckseite 102 und der Sogseite 104 verbunden. Genauer ist jeder Steg 60 mit der Innenfläche der druckseitigen Wand und der Innenfläche der sogseitigen Wand verbunden.
In bevorzugten Ausführungsformen kann ein Steg eine Y-Form besitzen, wobei z. B. ein Zweig des Y dann nicht mit der Druckseite oder der Sogseite direkt verbunden ist oder alle drei Zweige mit innenliegenden Flächen der Außenwände des Schaufelblatts verbunden sind, wodurch drei Kühlkanäle geschaffen werden.
Die Wand des Schaufelblatts 100, die die Druckseite 102 und die Sogseite 104 enthält und die Vorderkante 106 und die Hinterkante 108 definiert, kann auch als die Außenwand des Schaufelblatts 100 oder als die primäre Wand des Schaufelblatts 100 bezeichnet werden. Die primäre Wand des Schaufelblatts 100 definiert die externe Erscheinungsform des Schaufelblatts oder mit anderen Worten definiert die Schaufelblattform.
Jeder Steg 60 kann auch derart verstanden werden, dass er durch eine Wand im Schaufelblatt 100 gebildet wird, allerdings ist die Wand, die den Steg 60 bildet, von der primären Wand verschieden und kann als innenliegende Wand oder sekundäre Wand des Schaufelblatts 100 bezeichnet werden.
Wenn das Schaufelblatt 100 im Heißgaspfad der Gasturbine 100 positioniert ist, ist die primäre Wand des Schaufelblatts 100 direkt im Heißgaspfad der Gasturbine positioniert. Mit anderen Worten gelangt eine Oberfläche (eine außenliegende Oberfläche oder eine Außenfläche) der primären Wand des Schaufelblatts 100, d. h. der Druckseite 102 und der Sogseite 104 des Schaufelblatts, in direkten Kontakt mit dem Heizgas. Allerdings ist dann, wenn das Schaufelblatt 100 im Heißgaspfad der Gasturbine 100 positioniert ist, die sekundäre Wand, d. h. der Steg 60 des Schaufelblatts 100 nicht direkt im Heißgaspfad der Gasturbine positioniert. Mit anderen Worten gelangt keine der Oberflächen oder Flächen des Stegs 60 in direkten Kontakt mit dem Heizgas. Der Steg 60 kann derart verstanden werden, dass er durch die primäre Wand des Schaufelblatts 100 vollständig umgeben ist.
Wie in den Beispielen von 4A und 4B gezeigt ist, kann der Innenraum 100s des Schaufelblatts 100 mindestens einen Kühlkanal 70 für einen Kühlluftdurchfluss 5 enthalten. Die Kühlkanäle 70 können als Unterteilungen des Innenraums 100s des Schaufelblatts 100, die durch die Stege 60 geschaffen werden, verstanden werden. Es kann erwähnt werden, dass, obwohl das Beispiel von 4B beispielhaft fünf derartige Kühlkanäle 70 zeigt, das Schaufelblatt 100 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 6 oder mehr Kühlkanäle 70 besitzen kann. Die Kühlluft 5 kann von außerhalb des Schaufelblatts 100 in den Kühlkanal 70 geliefert werden, z. B. durch Kühlluftströmungswege (die nicht gezeigt sind), die in der Wurzel 300 des Rotorblatts 1 gebildet sind, oder von Kühlluftströmungswegen (die nicht gezeigt sind), die außerhalb des Schaufelblatts 100 gebildet sind, jedoch mit dem Schaufelblatt 100 bei dem Basisteil 100b und/oder dem Kopfteil 100a des Schaufelblatts 100 fluidtechnisch verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich zum oben Beschriebenen kann die Kühlluft 5 von einem weiteren Kühlkanal 70 des Schaufelblatts 100 in den Kühlkanal 70 geliefert wird, z. B. durch Kühlluftströmungswege (die nicht gezeigt sind), die in der Wurzel 300 des Rotorblatts 1 gebildet sind, oder aus Kühlluftströmungswegen (die nicht gezeigt sind), die außerhalb des Schaufelblatts 100 gebildet sind, jedoch mit dem Schaufelblatt 100 bei dem Basisteil 100b und/oder dem Kopfteil 100a des Schaufelblatts 100 fluidtechnisch verbunden sind.
Der Kühlkanal 70 kann sich in der Längsrichtung A des Schaufelblatts 100 erstrecken, wie in den Beispielen von 2, 4A und 4B gezeigt ist. Wie im Beispiel von 4B gezeigt ist, kann jeder Kühlkanal 70 durch einen oder mehrere Stege 60 und die Druckseite 102 und die Sogseite 104 definiert sein. Das Beispiel von 4B zeigt einen ersten Kühlkanal 70, der durch einen Steg 60, einen Teil der Druckseite 102, einen Teil der Sogseite 104 und die Vorderkante 106 definiert ist. Das Beispiel von 4B zeigt auch einen zweiten Kühlkanal 70, der durch einen Steg 60, einen Teil der Druckseite 102, einen Teil der Sogseite 104 und die Hinterkante 108 definiert ist. Darüber hinaus zeigt das Beispiel von 4B einen dritten Kühlkanal 70, der durch zwei benachbarte Stege 60, die einander zugewandt sind, einen Teil der Druckseite 102 und einen Teil der Sogseite 104 definiert ist. Das Beispiel von 4B stellt drei derartige dritte Kühlkanäle 70 dar, die zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkanal 70 angeordnet sind.
Wie im Beispiel von 4B und außerdem im Beispiel von 4A, das einen Querschnitt der Strömungsmaschinenkomponente 1 entlang der Linie N-N in 4B schematisch repräsentiert, gezeigt ist, kann das Schaufelblatt 100 ferner einen Durchflussdeflektor 80 enthalten, der im Vergleich zum herkömmlichen Rotorblatt, das in 3A und 3B gezeigt ist und das keinen derartigen Durchflussdeflektor am Steg enthält, vom Steg 60 in den Kühlkanal 70 nach außen vorsteht. 3A repräsentiert schematisch einen Querschnitt des herkömmlichen Rotorblatts entlang der Linie M-M in 3B.
Wie im Beispiel von 5 gezeigt ist, kann gemäß der vorliegenden Technik der Durchflussdeflektor 80 derart geformt sein, dass er mindestens einen Teil einer Kühlluft 5, die in der Längsrichtung A des Schaufelblatts 100 im Kühlkanal 70 strömt, zu mindestens einem Zielbereich T auf der Druckseite 102 und/oder auf der Sogseite 104 (obwohl 5 den Zielbereich, der auf der Druckseite gebildet ist, nicht darstellt) ablenkt und folglich leitet (oder mit anderen Worten in einer geleiteten Weise ablenkt, um der Kühlluft als Ergebnis der Ablenkung eine gewünschte Richtung zu geben). Genauer ist der Zielbereich T gebildet oder ist ein Bereich der Innenfläche der Druckseite 102 und/oder der Sogseite 104 des Schaufelblatts 100, der durch den Durchflussdeflektor 80 durch Ablenken oder Leiten der Kühlluft 5 direkt zu diesem Bereich der Innenfläche der Druckseite 102 und/oder der Sogseite 104 gebildet oder realisiert wird.
Der Durchflussdeflektor 80 kann derart geformt sein, dass er Kühlluft 5 durch eine geometrische Form oder eine äußere Form des Durchflussdeflektors 80 zum Zielbereich T leitet oder ablenkt. Zum Beispiel kann der Durchflussdeflektor 80 eine Oberfläche besitzen, die in Bezug auf die Längsrichtung A zum Zielbereich T auf der Druckseite 102 oder zum Zielbereich T auf der Sogseite 104 geneigt sein kann. Obwohl im Beispiel von 5 ein derartiger Zielbereich T derart gezeigt ist, dass er bei der Sogseite 104 gebildet ist, kann durch einen Fachmann begrüßt werden, dass auf der Sogseite 104 mehr derartige Zielbereiche T realisiert werden können und dass auf der Druckseite 102 ein oder mehrere derartige Zielbereiche T als eine Alternative zu dem einen oder den mehreren Zielbereichen T, die auf der Sogseite 104 realisiert sind, oder zusätzlich zu dem einen oder den mehreren Zielbereichen T, die auf der Sogseite 104 realisiert sind, realisiert werden können.
Jeder Steg 60 kann einen oder mehrere Durchflussdeflektoren 80 enthalten, die einen oder mehrere Zielbereiche T realisieren können. Jeder Zielbereich T kann durch einen Durchflussdeflektor 80 realisiert werden oder mit anderen Worten kann ein Durchflussdeflektor 80 Kühlluft zu einem Zielbereich T leiten. Alternativ können mehrere Zielbereiche T durch einen Durchflussdeflektor 80 realisiert werden oder mit anderen Worten kann ein Durchflussdeflektor 80 Kühlluft zu mehreren Zielbereichen T ablenken und/oder leiten. Ein Beispiel ist ein ‚V‘-förmiger Durchflussdeflektor 80 (die ‚V‘-Form ist lediglich ein Beispiel - weitere Formen sind auch möglich, z. B. eine ‚Y‘-Form oder eine Trapezform), der eine erste Oberfläche (die im vorliegende Beispiel durch einen Zweig der ‚V‘-Form repräsentiert wird), um die Kühlluft zu mindestens einem Zielbereich T, der derart auf der Druckseite 102 realisiert ist, zu leiten oder abzulenken, und eine zweite Oberfläche (die im vorliegenden Beispiel durch einen weiteren Zweig der ‚V‘-Form repräsentiert wird), um die Kühlluft zu mindestens einem Zielbereich T, der derart auf der Sogseite 104 realisiert ist, zu leiten oder ablenken, besitzt.
Es kann erwähnt werden, dass, obwohl das Beispiel von 4A fünf Durchflussdeflektoren 80 (die jeweils geneigt sind), die am Steg 60 gebildet sind, zeigt, kann durch einen Fachmann begrüßt werden, dass 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 6 oder mehr Durchflussdeflektoren 80 an einem Steg 60 der vorliegenden Technik, z. B. am Steg 60 des Beispiels von 4A, statt der fünf Durchflussdeflektoren 80, die am Steg 60 gebildet sind, wie im Beispiel von 4A gezeigt ist, vorhanden sein können. Jeder der fünf Durchflussdeflektoren 80 lenkt Kühlluft zu einem verschiedenen Zielbereich T ab, wodurch fünf Zielbereiche auf der Druckseite 102 des Schaufelblatts realisiert werden.
Gemäß der vorliegenden Technik ist jeder Durchflussdeflektor 80 derart geformt und/oder orientiert und/oder bemessen, dass ein Blockierungsfaktor B, der aufgrund des Durchflussdeflektors 80 verursacht wird, gleich oder größer als 0,15 ist. In einem genaueren Beispiel kann der Blockierungsfaktor größer als 0,15 und gleich oder kleiner als 0,5 sein. Wenn der Blockierungsfaktor größer als 0,15 ist, wird der Kühlwirkungsgrad weiter verbessert, während er gleich weniger als 0,9, bevorzugt gleich oder kleiner als 0,5 ist, wird sichergestellt, dass der Kühlluftdurchfluss durch den Durchflussdeflektor 80 nicht nachteilig beschränkt oder begrenzt wird.
In noch einem weiteren Beispiel kann der Durchflussdeflektor 80 derart geformt/bemessen/orientiert sein, dass der Blockierungsfaktor gleich oder größer als 0,2 und gleich oder weniger als 0,5 sein kann. Der Blockierungsfaktor zwischen 0,2 und 0,5 schafft einen erhöhten Kühlwirkungsgrad, ohne eine nachteilige Einschränkung oder Begrenzung des Kühlluftdurchflusses durch den Durchflussdeflektor 80 zu verursachen.
Wie in 6A und 6B gezeigt ist, kann der Blockierungsfaktor definiert sein wie folgt: $Blockierungsfaktor = \frac{D_{H, w o} - D_{H, w}}{D_{H, w o}},$
wobei
D_H,wo den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals 70 ohne den Durchflussdeflektor 80 repräsentiert und D_H,w den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals 70 mit dem Durchflussdeflektor 80 repräsentiert.
Der hydraulische Durchmesser D_H,wo des Kühlkanals 70 ohne den Durchflussdeflektor 80 kann durch Folgendes definiert sein: $D_{H, w o} = 4 \frac{A_{w o}}{P_{w o}},$
wobei
A_wo eine Fläche eines Querschnitts des Kühlkanals 70 ohne den Durchflussdeflektor 80 repräsentiert und P_wo einen Umfang des Querschnitts des Kühlkanals 70 ohne den Durchflussdeflektor 80 repräsentiert.
Der hydraulische Durchmesser D_H,w des Kühlkanals 70 mit dem Durchflussdeflektor 80 kann durch Folgendes definiert sein: $D_{H, w} = 4 \frac{A_{w}}{P_{w}},$
wobei
A_w eine Fläche eines Querschnitts des Kühlkanals 70 mit dem Durchflussdeflektor 80 repräsentiert und P_w einen Umfang des Querschnitts des Kühlkanals 70 mit dem Durchflussdeflektor 80 repräsentiert.
Alle Bezüge auf den Kühlkanal 70 ohne den Durchflussdeflektor 80 können als der Kühlkanal 70 ohne den Durchflussdeflektor 80, der jedoch alle weiteren Parameter übereinstimmend mit denen des Kühlkanals 70 mit dem Durchflussdeflektor 80 besitzt, verstanden werden. Ein Beispiel kann aus 7B verstanden werden, wobei ein Querschnitt bei der Linie Q-Q ein Beispiel von 6A repräsentieren würde, wohingegen ein Querschnitt bei der Linie P-P ein Beispiel von 6B repräsentieren würde. Ein weiteres Beispiel kann aus 7G verstanden werden, wobei ein Querschnitt bei der Linie S-S ein Beispiel von 6A repräsentieren würde, wohingegen ein Querschnitt bei der Linie R-R ein Beispiel von 6B repräsentieren würde.
Es kann erwähnt werden, dass, obwohl die Beispiele von 4A, 4B und 5 Durchflussdeflektoren 80 zeigen, die an lediglich einem derartigen Steg 60 gebildet werden sollen, ein oder mehrere Durchflussdeflektoren 80 an Oberflächen derartiger Stege 60 gebildet sein können - derart, dass sie in demselben oder weiteren Kühlkanälen 70 angeordnet sind. Darüber hinaus können Durchflussdeflektoren 80 an beiden Oberflächen von beliebigen Stegen 60 derart gebildet sein, dass sie in verschiedenen Kühlkanälen 70 angeordnet sind.
Im Folgenden werden weitere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Technik beschrieben.
Wie im Beispiel von 4A gezeigt ist, kann der Kühlkanal 70 einen Einlass 72 bei einer horizontalen Position oder einer Umfangsposition in Bezug auf die Plattform 200, wo der Basisteil 100b des Schaufelblatts 100 auf eine Oberseite 201 der Plattform 200 trifft, enthalten. Der Durchflussdeflektor 80 kann im Schaufelblatt 100 beschränkt oder vollständig in ihm begrenzt sein, indem er vom Einlass 72 des Kühlkanals 70 beabstandet ist. Mit anderen Worten kann der Steg 60 in die Plattform 200 erweitert sein, jedoch sind der eine oder die mehreren Durchflussdeflektoren 80 nicht erweitert oder sind im Teil der Wand des Stegs 60, der sich im Schaufelblatt 100 befindet, physisch beschränkt. Somit stehen der eine oder die mehreren Deflektoren vom Steg in einer Längshöhe des Stegs über die Höhe der Plattform vor. 7A-7L zeigen jeweils verschiedene beispielhafte Ausführungsformen von Durchflussdeflektoren 80, wobei der eine oder die mehreren Durchflussdeflektoren 80 - entweder ein erweiterter Durchflussdeflektor 80, wie in 7B bis 7F gezeigt ist, oder mehrere Durchflussdeflektoren 80, die in einer Anordnung angeordnet sind, die in der Längsrichtung A angeordnet ist, wie in 7A und 7G bis 7L gezeigt ist - in jedem Fall erstrecken sich der eine oder die mehreren Durchflussdeflektoren 80 nicht über das Schaufelblatt 100, d. h. erstrecken sich nicht in die Plattform 200, die in 7A- 7L schematisch dargestellt ist. Allerdings kann der Durchflussdeflektor alternativ unter der Plattform oder der Ummantelung beginnen.
Wie in den Beispielen von 7B bis 7F gezeigt ist, kann der Durchflussdeflektor 80 ein erweiterter Durchflussdeflektor 80 sein. Der Durchflussdeflektor 80 kann eine langgestreckte Form besitzen und kann derart orientiert sein, dass er sich zwischen dem Basisteil 100b des Schaufelblatts 100 und dem Kopfteil 100a des Schaufelblatts 100 erstreckt.
Wie in den Beispielen von 7A und 7G bis 7L gezeigt ist, können in der Strömungsmaschinenkomponente 1 der vorliegenden Technik mehrere Durchflussdeflektoren 80 dargestellt sein. Die Durchflussdeflektoren 80 können in einer Anordnung in der Längsrichtung A des Schaufelblatts 100 angeordnet sein. Jeder der mehreren Durchflussdeflektoren 80 kann stegförmig, wie in 7G bis 7L gezeigt ist, und/oder stiftrippenförmig, wie in 7A gezeigt ist, sein. Alternativ können die mehreren verschieden geformte Durchflussdeflektoren 80 besitzen - z. B. einen oder mehrere stegförmige und einen oder mehrere stiftrippenförmige.
7A stellt eine beispielhafte Ausführungsform des Durchflussdeflektors 80, der als mehrere, d. h. mehrere Durchflussdeflektoren 80 gebildet ist, schematisch dar. Jeder Durchflussdeflektor 80 ist stiftrippenförmig. Die Durchflussdeflektoren 80 sind in der Richtung A (die in 2 gezeigt ist) angeordnet. Jeder Durchflussdeflektor 80 ist derart geformt und/oder bemessen und/oder positioniert und/oder orientiert, dass er den Strom zu einem Zielbereich T, d. h. einem vorgegebenen oder einem gewünschten Zielbereich T versetzt oder ablenkt.
7B stellt eine beispielhafte Ausführungsform des Durchflussdeflektors 80, die als ein einteiliger oder ein einzelner Durchflussdeflektor 80 gebildet ist, schematisch dar. Der Durchflussdeflektor 80 besitzt eine erweiterte Stegform. Die Ausdehnungsrichtung der Stegform ist in der Richtung A (die in 2 gezeigt ist) angeordnet oder auf sie ausgerichtet. Der Durchflussdeflektor 80 ist derart geformt und/oder bemessen und/oder positioniert und/oder orientiert, dass er den Strom vorbelastet oder den Strom zu einem Zielbereich T, d. h. einen vorgegebenen oder einen gewünschten Zielbereich T ablenkt. Der Durchflussdeflektor kann sich entlang einer Gerade oder geradlinig ohne Biegung erstrecken. Der Durchflussdeflektor 80 kann in Bezug auf die Richtung A angewinkelt sein, um die Luft, die über die Oberfläche des Durchflussdeflektors 80 strömt, zum gewünschten Zielbereich T zu führen. Die Erweiterungslänge des stegförmigen Durchflussdeflektors kann bei -10% einer Höhe des Schaufelblatts beginnen (das negative Vorzeichnen bedeutet, dass der Durchflussdeflektor unter der Plattform beginnt) und bei 90 % einer Höhe des Schaufelblatts enden, bevorzugt von 20 % bis 70 % einer Höhe des Schaufelblatts.
7C stellt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Durchflussdeflektors 80, der auch als ein einteiliger oder ein einzelner Durchflussdeflektor 80 gebildet ist, schematisch dar. Der Durchflussdeflektor 80 besitzt eine erweiterte Stegform. Die Ausdehnungsrichtung der Stegform ist in der Richtung A (die in 2 gezeigt ist) angeordnet oder auf sie ausgerichtet. Der Durchflussdeflektor 80 ist derart geformt und/oder bemessen und/oder positioniert und/oder orientiert, dass er den Strom zu einem Zielbereich T, d. h. einem vorgegebenen oder einem gewünschten Zielbereich T versetzt oder ablenkt. Der Durchflussdeflektor kann sich entlang einer Gerade oder geradlinig ohne Biegung erstrecken. Der Durchflussdeflektor 80 kann in Bezug auf die Richtung A angewinkelt sein, um die Luft, die über die Oberfläche des Durchflussdeflektors 80 strömt, zu dem gewünschten Zielbereich T führen. Die Erweiterungslänge des stegförmigen Durchflussdeflektors kann bei -10% einer Höhe des Schaufelblatts beginnen und bei 90 % einer Höhe des Schaufelblatts enden, bevorzugt von 5 % bis 80 % einer Höhe des Schaufelblatts.
7D stellt noch weitere beispielhafte Ausführungsform des Durchflussdeflektors 80, der auch als ein einteiliger oder ein einzelner Durchflussdeflektor 80 gebildet ist, schematisch dar. Der Durchflussdeflektor 80 besitzt eine erweiterte Stegform. Die Ausdehnungsrichtung der Stegform ist in der Richtung A (die in 2 gezeigt ist) angeordnet oder auf sie ausgerichtet. Der Durchflussdeflektor 80 ist derart geformt und/oder bemessen und/oder positioniert und/oder orientiert, dass er den Strom zu einem Zielbereich T, d. h. einem vorgegebenen oder einem gewünschten Zielbereich T versetzt oder ablenkt. Der Durchflussdeflektor kann sich entlang einer gekrümmten Linie erstrecken oder kann mit anderen Worten in der Richtung A gebogen sein. Wahlweise kann der Durchflussdeflektor 80 in Bezug auf die Richtung A angewinkelt sein, um die Luft, die über die Oberfläche des Durchflussdeflektors 80 strömt, zum gewünschten Zielbereich T zu führen. Die Erweiterungslänge des stegförmigen Durchflussdeflektors kann bei -10% einer Höhe des Schaufelblatts beginnen und bei 90 % einer Höhe des Schaufelblatts enden, bevorzugt von 5 % bis 75 % einer Höhe des Schaufelblatts.
7E stellt noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Durchflussdeflektors 80, der auch als ein einteiliger oder ein einzelner Durchflussdeflektor 80 gebildet ist, schematisch dar. Der Durchflussdeflektor 80 besitzt eine U-Form. Die Ausdehnungsrichtung der U-Form ist in der Richtung A (die in 2 gezeigt ist) angeordnet oder auf sie ausgerichtet. Die zwei Zweige der U-Form besitzen die gleiche Länge. Der gebogene Teil der U-Form kann dem eintreffenden Luftdurchfluss zugewandt sein und die Zweige der U-Form können den Luftdurchfluss ablenken. Der Durchflussdeflektor 80 ist derart geformt und/oder bemessen und/oder positioniert und/oder orientiert, dass er den Strom vorbelastet oder den Strom zu einem Zielbereich T, d. h. einem vorgegebenen oder einem gewünschten Zielbereich T, ablenkt. Jeder Zweig der U-Form kann sich entlang einer Gerade in der Richtung A erstrecken. Wahlweise können ein oder beide Zweige des Durchflussdeflektors 80 in Bezug auf die Richtung A angewinkelt sein, um die Luft, die über die Oberfläche des Durchflussdeflektors 80 strömt, zum gewünschten Zielbereich T zu führen.
7F stellt noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Durchflussdeflektors 80, der auch als ein einteiliger oder ein einzelner Durchflussdeflektor 80 gebildet ist, schematisch dar. Der Durchflussdeflektor 80 besitzt eine U-Form. Die Ausdehnungsrichtung der U-Form ist in der Richtung A (die in 2 gezeigt ist) angeordnet oder auf sie ausgerichtet. Die zwei Zweige der U-Form sind von verschiedener Länge. Der gebogene Teil der U-Form kann dem eintreffenden Luftdurchfluss zugewandt sein und die Zweige der U-Form können den Luftdurchfluss ablenken. Der Durchflussdeflektor 80 ist derart geformt und/oder bemessen und/oder positioniert und/oder orientiert, dass er den Strom vorbelastet oder den Strom zu einem Zielbereich T, d. h. einem vorgegebenen oder einem gewünschten Zielbereich T, ablenkt. Jeder Zweig der U-Form kann sich entlang einer Gerade in der Richtung A erstrecken. Wahlweise können ein oder beide Zweige des Durchflussdeflektors 80 in Bezug auf die Richtung A angewinkelt sein, um die Luft, die über die Oberfläche des Durchflussdeflektors 80 strömt, zum gewünschten Zielbereich T zu führen. Der als eine oder mehrere Linien geformte Deflektor kann eine Mäanderform besitzen. Oder eine sonstige Form, die hilft, die Wärmeübertragung im Zielbereich T zu verbessern.
7G-7L stellen weitere beispielhafte Ausführungsformen des Durchflussdeflektors 80, der als mehrere, d. h. mehrere Durchflussdeflektoren 80 gebildet ist, schematisch dar. Jeder Durchflussdeflektor 80 ist steg- oder keilförmig. Die Durchflussdeflektoren 80 sind in der Richtung A (die in 2 gezeigt ist) angeordnet. Jeder Durchflussdeflektor 80 ist derart geformt und/oder bemessen und/oder positioniert und/oder orientiert, dass er den Strom zu einem Zielbereich T, d. h. einem vorgegebenen oder einem gewünschten Zielbereich T versetzt oder ablenkt.
Durchflussdeflektoren können im Bereich von 5 Grad bis 85 Grad in Bezug auf die Richtung A angewinkelt sein. In 7G bis 7L sind bevorzugte Ausführungsformen gezeigt.
Wie in 7G gezeigt ist, ist jeder Durchflussdeflektor im Bereich von 10 Grad bis 40 Grad in Bezug auf die Richtung A angewinkelt. Wie in 7H gezeigt ist, ist jeder Durchflussdeflektor im Bereich von 50 Grad bis 80 Grad in Bezug auf die Richtung A angewinkelt. Wie in 71 gezeigt ist, ist jeder Durchflussdeflektor im Bereich von 30 Grad bis 60 Grad in Bezug auf die Richtung A angewinkelt. Wie in 7J gezeigt ist, ist jeder Durchflussdeflektor im Bereich von 20 Grad bis 50 Grad in Bezug auf die Richtung A angewinkelt. Wie in 7K gezeigt ist, ist jeder Durchflussdeflektor im Bereich von 10 Grad bis 40 Grad in Bezug auf die Richtung A angewinkelt. Darüber hinaus kann die Anzahl von Deflektoren angepasst werden, z. B. vier geneigte Deflektoren in 7G oder sechs Deflektoren, die weniger geneigt sind, in 7H.
Die Durchflussdeflektoren 80, seien es einer oder mehrere, können von der Druckseite 102 und/oder der Sogseite 104 beabstandet sein, wie in den Beispielen von 7A bis 7L gezeigt ist.
Wie in den Beispielen von 7A bis 7L gezeigt ist, kann der Zielbereich T mindestens ein Wärmeübertragungsverbesserungselement 90 enthalten. Das Wärmeübertragungsverbesserungselement 90 kann ein Steg und/oder ein Stift und/oder eine Vertiefung, die an der Innenfläche der Druckseite 102 und/oder der Sogseite 104 mindestens im Zielbereich T gebildet sind, sein. Das Wärmeübertragungsverbesserungselement 90 kann ein Turbulator für die Kühlluft 5, die durch den Durchflussdeflektor 80 zum Zielbereich T abgelenkt wird, sein und/oder wirken, um einen Oberflächenbereich des Zielbereichs T zu vergrößern - zum Verbessern der Wärmeübertragung vom Zielbereich T zur Kühlluft 5, die durch den Durchflussdeflektor 80 zum Zielbereich T abgelenkt wird.
Der Durchflussdeflektor 80 kann derart geformt sein, dass er die Kühlluft 5 zu dem mindestens einen Wärmeübertragungsverbesserungselement 90 derart ablenkt, dass die Kühlluft 5, die durch den Durchflussdeflektor 80 abgelenkt wird, direkt Auswirkungen auf das mindestens eine Wärmeübertragungsverbesserungselement 90 hat.
Der Durchflussdeflektor 80 kann beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, durch Gießen oder additives Herstellen mit dem Steg 60 einteilig gebildet werden. Alternativ kann der Durchflussdeflektor 80 als eine einzelne Einheit gebildet werden und dann beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, durch Hartlöten am Steg 60 befestigt werden.
Wie in 6B gezeigt ist, kann der Durchflussdeflektor 80 einen Basisabschnitt 80b, der an eine Oberfläche 62 des Stegs 60 angrenzt, von der der Durchflussdeflektor 80 nach außen in den Kühlkanal 70 vorsteht, und einen Kopfabschnitt 80a, der vom Basisabschnitt 80b beabstandet ist, enthalten. Der Kopfabschnitt 80a des Durchflussdeflektors 80 kann freihängend sein, d. h. muss nicht in direktem Kontakt mit einer Wand des Kühlkanals 70 oder einer sonstigen Struktur, die im Kühlkanal angeordnet ist, sein, z. B. an der Wand des Kühlkanals 70 angeordnet sein. Einfach ausgedrückt muss der Kopfabschnitt 80a des Durchflussdeflektors 80 nicht in Kontakt mit der Druckseite 102 und/oder der Sogseite 104 und/oder der Vorderkante 106 und/oder der Hinterkante 108 und/oder einem benachbarten Steg 60, der dem Steg 60 zugewandt ist, von dem der Durchflussdeflektor 80 vorsteht, und der an den Kühlkanal 70, in den der Durchflussdeflektor 80 vorsteht, angrenzt, d. h. der ein der Wände des Kühlkanals 70, in den der Durchflussdeflektor 80 vorsteht, bildet, sein.
Alternativ kann der Kopfabschnitt 80a des Durchflussdeflektors 80 in Kontakt mit einem weiteren Steg sein oder kann mit ihm einteilig gebildet sein. Einfach ausgedrückt kann sich der Durchflussdeflektor 80 in einer nicht dargestellten Ausführungsform zwischen zwei Stegen 60 erstrecken.
Wie in 7M gezeigt ist, kann das Seitenende eines oder mehrerer Durchflussdeflektoren 80 mit der Druckseite 102 verbunden sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Durchflussdeflektor 80 mit der Sogseite (die nicht gezeigt ist) verbunden sein oder können der eine oder die mehreren Durchflussdetektoren 80 alternativ mit der Druckseite 102 und der Sogseite 104 (die auch nicht gezeigt ist) verbunden sein.
Darüber hinaus kann die Höhe der einen oder der mehreren Durchflussdeflektoren 80a, 80 in den Kühlkanälen verschieden sein, wie in 7M, linke Seite, gezeigt ist.
Darüber hinaus kann sich die Höhe eines einzelnen Durchflussdeflektors 80, der aus der Oberfläche des Stegs vorsteht, ändern, wobei sie die maximale Höhe in der Nähe der Druckseite 102 und eine geringere Höhe bei der Sogseite 104 aufweist oder umgekehrt.
Während die vorliegende Technik unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen genau beschrieben wurde, ist zu bedenken, dass die vorliegende Technik nicht auf diese konkreten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr würden sich Fachleuten im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung, die beispielhafte Modi zum Praktizieren der Erfindung beschreibt, viele Modifikationen und Variationen selbst darstellen, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Der Umfang der Erfindung ist deshalb statt durch die vorhergehende Beschreibung durch die folgenden Ansprüche angegeben. Alle Änderungen, Modifikationen und Variationen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche gelangen, sollen als in ihrem Umfang betrachtet werden.

Claims

Strömungsmaschinenkomponente (1) für eine Gasturbine (10), wobei die Strömungsmaschinenkomponente (1) Folgendes umfasst: - eine Plattform (200) und - ein Schaufelblatt (100), das sich von der Plattform (200) erstreckt und einen Basisteil (100b), der an die Plattform (200) angrenzt, und einen Kopfteil (100a), der vom Basisteil (100b) in einer Längsrichtung (A) des Schaufelblatts (100) beabstandet ist, besitzt; wobei das Schaufelblatt (100) ferner Folgendes umfasst: - eine Druckseite (102) und eine Sogseite (104), die sich bei einer Vorderkante (106) und einer Hinterkante (108) treffen und einen Innenraum (100s) des Schaufelblatts (100) definieren; - mindestens einen Steg (60), der im Innenraum (100s) des Schaufelblatts (100) angeordnet ist und sich zwischen der Druckseite (102) und der Sogseite (104) erstreckt; - mindestens zwei Kühlkanäle (70) zum Kühlluftdurchfluss (5), die im Innenraum (100s) des Schaufelblatts (100) gebildet sind und sich in der Längsrichtung (A) des Schaufelblatts (100) erstrecken und mindestens durch den Steg (60) und die Druckseite (102) und/oder die Sogseite (104) definiert sind; und - einen Durchflussdeflektor (80), der vom Steg (60) in den Kühlkanal (70) nach außen vorsteht und derart geformt ist, dass er mindestens einen Teil der Kühlluft (5), die in der Längsrichtung (A) des Schaufelblatts (100) im Kühlkanal (70) strömt, zu mindestens einem Zielbereich (T) auf der Druckseite (102) und/oder auf der Sogseite (104) ablenkt.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach Anspruch 1, wobei der Durchflussdeflektor (80) derart konfiguriert ist, dass ein Blockierungsfaktor aufgrund des Durchflussdeflektors (80) gleich oder größer als 0,15 ist.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach Anspruch 2, wobei der Blockierungsfaktor gleich oder größer als 0,2 und gleich oder kleiner als 0,9 ist.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Blockierungsfaktor definiert ist wie folgt: $Blockierungsfaktor = \frac{D_{H, w o} - D_{H, w}}{D_{H, w o}},$
wobei D_H,wo den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals (70) ohne den Durchflussdeflektor (80) repräsentiert und D_H,w den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals (70) mit dem Durchflussdeflektor (80) repräsentiert.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach Anspruch 4, wobei der hydraulische Durchmesser (D_H,wo) des Kühlkanals (70) ohne den Durchflussdeflektor (80) durch Folgendes definiert ist: $D_{H, w o} = 4 \frac{A_{w o}}{P_{w o}},$
wobei A_wo eine Fläche eines Querschnitts des Kühlkanals (70) ohne den Durchflussdeflektor (80) repräsentiert und P_wo einen Umfang des Querschnitts des Kühlkanals (70) ohne den Durchflussdeflektor (80) repräsentiert; und/oder der hydraulische Durchmesser (D_H,w) des Kühlkanals (70) mit dem Durchflussdeflektor (80) durch Folgendes definiert ist: $D_{H, w} = 4 \frac{A_{w}}{P_{w}},$
wobei A_w eine Fläche eines Querschnitts des Kühlkanals (70) mit dem Durchflussdeflektor (80) repräsentiert und P_w einen Umfang des Querschnitts des Kühlkanals (70) mit dem Durchflussdeflektor (80) repräsentiert.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kühlkanal (70) einen Einlass (72) umfasst, wo der Basisteil (100b) des Schaufelblatts (100) eine Oberseite (201) der Plattform (200) trifft und/oder wobei der Durchflussdeflektor (80) vom Einlass (72) des Kühlkanals (70) beabstandet ist oder der Durchflussdeflektor (80) sich durch den Einlass (72) erstreckt.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Durchflussdeflektor (80) eine langgestreckte Form besitzt und derart orientiert ist, dass er sich zwischen dem Basisteil (100b) des Schaufelblatts (100) und dem Kopfteil (100a) des Schaufelblatts (100) erstreckt.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die mehrere Durchflussdeflektoren (80) umfasst, wobei die Durchflussdeflektoren (80) in einer Anordnung in der Längsrichtung (A) des Schaufelblatts (100) angeordnet sind.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Durchflussdeflektoren (80) eine Form umfassen, die aus mindestens einem der Folgenden gewählt ist: - stegförmig, - stiftrippenförmig, - ein langgestreckter Stab, der gerade oder gekrümmt ist, oder - eine U-förmige Leiste, die beim Kopfteil geöffnet ist, die - stegförmig und zwischen 5-85 % in Bezug auf die Längsrichtung (A) angewinkelt ist und - entweder an die Druckseite oder die Sogseite angrenzt.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Zielbereich (T) mindestens ein Wärmeübertragungsverbesserungselement (90) umfasst.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach Anspruch 10, wobei der Durchflussdeflektor (80) derart geformt ist, dass er die Kühlluft (5) zu dem mindestens einen Wärmeübertragungsverbesserungselement (90) derart ablenkt, dass die Kühlluft (5), die durch den Durchflussdeflektor (80) abgelenkt wird, direkt auf das mindestens eine Wärmeübertragungsverbesserungselement (90) Auswirkungen hat.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Durchflussdeflektor (80) mit dem Steg (60) einteilig gebildet ist.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Durchflussdeflektor (80) Folgendes umfasst: - einen Basisabschnitt (80b), der an eine Oberfläche (62) des Stegs (60) angrenzt, von der der Durchflussdeflektor (80) nach außen in den Kühlkanal (70) vorsteht; und - einen Kopfabschnitt (80a), der vom Basisabschnitt (80b) beabstandet ist, wobei der Kopfabschnitt (80a) des Durchflussdeflektors (80) freihängend ist oder der Kopfabschnitt (80a) des Durchflussdeflektors (80) mit einem weiteren Steg (60) in Kontakt ist.
Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Strömungsmaschinenkomponente (1) ein Rotorblatt (38) oder eine Schaufel (40, 44) ist.
Gasturbine (10), die eine Strömungsmaschinenkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.