DE112018007681T5

DE112018007681T5 - Gekühltes schaufelblatt und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112018007681T5
Application number: DE112018007681.4T
Authority: DE
Inventors: Thomas Earl Dyson; Brian Brzek; Fred Willett, Jr.; Paul DiMascio
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2021-03-11
Also published as: WO2020027822A1; US20210310362A1; JP7210694B2; JP2022501539A; US11499434B2

Abstract

In einer Ausführungsform schließt ein Schaufelblatt (36) einen Schaufelblatt-Körperabschnitt (37), einen Schaufelblatt-Spitzenabschnitt (43), der radial außerhalb des Schaufelblatt-Körperabschnitts (37) angeordnet ist, einen Schaufelblatt-Wurzelabschnitt (49) und eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen (54, 56, 58, 60) ein, die sich durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt (37) vom Wurzelabschnitt (49) zum Schaufelblatt-Spitzenabschnitt (43) erstreckt. Der Schaufelblatt-Körperabschnitt (37) und der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt (43) sind an einer Lötschnittstelle oder einer Schweißschnittstelle zusammengefügt. Der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt (43) schließt mindestens einen Verteiler (753, 755, 757, 776) ein, der mindestens einen radialen Kühlkanal (54, 56, 58, 60) mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal (54, 56, 58, 60) fluidtechnisch verbindet.

Description

HINTERGRUND
Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf gekühlte Strukturen einer Gasturbine und spezieller auf Systeme und Verfahren in Bezug auf Turbinenschaufelblätter.
In einem Großrahmen-Hochleistungs-Industriegasturbinentriebwerk wird ein in einer Brennkammer erzeugter Heißgasstrom durch eine Turbine geleitet, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Die Turbine schließt eine oder mehrere Reihen oder Stufen von Statorschaufeln und Rotorblättern ein, die mit dem Heißgasstrom in einer progressiv abnehmenden Temperatur reagieren. Der Wirkungsgrad der Turbine - und damit des Motors - kann erhöht werden, indem ein Gasstrom höherer Temperatur in die Turbine eingeleitet wird. Die Turbineneinlasstemperatur kann jedoch auf die Materialeigenschaften der Turbine, insbesondere der Leitschaufeln der ersten Stufe und Blätter, und einer Menge der Kühlleistung für diese Leitschaufeln der ersten Stufe beschränkt sein.
Die Rotor- und Statorkomponenten der ersten Stufe sind den höchsten Gasstromtemperaturen ausgesetzt, wobei die Temperatur allmählich abnimmt, wenn der Gasstrom durch die Turbinenstufen strömt. Die Schaufelblätter der ersten und zweiten Stufe (Blätter und Leitschaufeln) sollten gekühlt werden, indem Kühlluft durch interne Kühlkanäle geleitet wird und die Kühlluft durch Filmkühllöcher abgegeben wird, um eine Deckschicht aus Kühlluft bereitzustellen, um die gekühlte Oberfläche vor dem Heißgasstrom zu schützen.
Die Turbinenrotorblätter werden häufig aus Feinguss und metallischen Superlegierungsmaterialien gebildet, die eine hohe Toleranz gegenüber mechanischer Beanspruchung und Dehnung sowie thermischen Beanspruchungen und Gradienten aufweisen. Die Geometrien und Merkmale, die durch das Feingussverfahren gebildet werden können, sind jedoch begrenzt.
KURZDARSTELLUNG
Gesichtspunkte und Vorteile der Offenbarung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt oder durch eine praktische Umsetzung der Offenbarung festgestellt werden.
In einer Ausführungsform schließt ein Schaufelblatt einen Schaufelblatt-Körperabschnitt, einen Schaufelblatt-Spitzenabschnitt, der radial außerhalb des Schaufelblatt-Körperabschnitts angeordnet ist, einen Schaufelblatt-Wurzelabschnitt und eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen ein, die sich durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt vom Wurzelabschnitt zum Spitzenschaufelblattabschnitt erstrecken. Der Schaufelblatt-Körperabschnitt und der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt sind an einer Lötschnittstelle oder einer Schweißschnittstelle zusammengefügt. Der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt schließt mindestens einen Verteiler ein, der mindestens einen radialen Kühlkanal mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal fluidtechnisch verbindet.
In einer weiteren Ausführungsform schließt ein Schaufelblatt einen Schaufelblatt-Körperabschnitt, einen Schaufelblatt-Spitzenabschnitt, der radial außerhalb des Schaufelblatt-Körperabschnitts angeordnet ist, einen Schaufelblatt-Wurzelabschnitt und eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen ein, die sich durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt vom Wurzelabschnitt zum Schaufelblatt-Spitzenabschnitt erstreckt. Der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt schließt mindestens einen Verteiler ein, der mindestens einen radialen Kühlkanal mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal fluidtechnisch verbindet. Der Verteiler befindet sich radial außerhalb von mindestens einer Verbindungsschnittstelle.
In einer weiteren Ausführungsform schließt ein Verfahren zum Bilden eines Schaufelblatts das Bilden eines Schaufelblatt-Körperabschnitts über Feinguss, das Bilden mindestens eines radialen Kühlkanals innerhalb des Schaufelblattkörpers unter Verwendung einer elektrochemischen Formrohrbearbeitung (STEM), das Bilden eines Schaufelblatt-Spitzenabschnitts und das Zusammenfügen des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts mit dem Schaufelblatt-Körperabschnitt ein.
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verständlich. Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Patentschrift integriert und Bestandteil von dieser sind, veranschaulichen Ausführungsformen der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erklären.
Figurenliste
Eine vollständige und befähigende Offenbarung, einschließlich deren bester Art und Weise, die sich an einen Durchschnittsfachmann richtet, wird in der Beschreibung dargelegt, die auf die beigefügten Figuren verweist, wobei:

1 eine schematische Darstellung einer typischen Gasturbine, die Ausführungsformen der vorliegenden Patentschrift einschließen können, ist;
2 eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Turbinenabschnitts, der ein beispielhaftes Rotorblatt einschließt, ist;
3 eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Turbinenabschnitts, der ein Rotorblatt einschließt, ist;
4 eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Turbinenabschnitts, der ein Rotorblatt einschließt, ist;
5 eine Draufsicht (radial nach innen blickend) eines Querschnitts eines Schaufelblatts veranschaulicht;
6 eine Draufsicht (radial nach innen blickend) eines Querschnitts eines Schaufelblatts veranschaulicht;
7 eine Unteransicht (radial nach außen blickend) eines Querschnitts einer Schaufelblattspitze veranschaulicht;
8 eine Draufsicht (radial nach innen blickend) eines Querschnitts eines Schaufelblatts veranschaulicht;
9 eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen, die in einem Schaufelblatt zu finden ist, veranschaulicht;
10 eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen, die in einem Schaufelblatt zu finden ist, veranschaulicht;
11 eine Vielzahl von Schaufelblattspitzen-Durchgangsverbindungen, einen Schaufelblattkörper und eine Vielzahl von Schaufelblattwurzeldurchgängen veranschaulicht; und
12 ein Verfahren zum Bilden eines Schaufelblatts gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

Die wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Patentschrift und den Zeichnungen bezweckt die Darstellung gleicher oder analoger Merkmale oder Elemente der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird nun im Detail auf Gesichtspunkte der vorliegenden Ausführungsformen Bezug genommen, von denen eines oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet numerische und Buchstabenbezeichnungen zur Bezugnahme auf Merkmale in den Zeichnungen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung wurden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile der vorliegenden Ausführungsformen Bezug zu nehmen. Wie hierin verwendet, können die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und „dritter“ austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sollen nicht den Ort oder die Wichtigkeit der einzelnen Komponenten kennzeichnen. Die Ausdrücke „stromaufwärts“ oder „hinten“ und „stromabwärts“ oder „vorne“ beziehen sich auf die relative Richtung in Bezug auf die Fluidströmung in einem Fluidweg. Zum Beispiel bezieht sich „stromaufwärts“ oder „hinten“ auf die Richtung, aus der das Fluid strömt, zuweilen auch als ,von der Rückseite' bezeichnet. „Stromabwärts“ oder „vorwärts“ bezieht sich auf die Richtung, in die das Fluid strömt, zuweilen auch als ,zur Vorderseite' bezeichnet. Der Ausdruck „radial“ bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente verläuft, und der Ausdruck „axial“ bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer axialen Mittellinie einer bestimmten Komponente ist. Die Ausdrücke „umlaufend“ und „tangential“ können sich auf die Richtung beziehen, die mit dem Umfang eines rotierenden Turbinen- oder Kompressorrotors ausgerichtet 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 Patentschrift und den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen kombiniert und/oder ausgetauscht werden. Solche Bereiche können identifiziert werden und schließen alle darin enthaltenen Unterbereiche ein, sofern Kontext oder Formulierung nichts anderes angeben.
Jedes Beispiel wird zur Erläuterung der vorliegenden Ausführungsformen, nicht zur Einschränkung der vorliegenden Ausführungsformen, bereitgestellt. Tatsächlich wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass Änderungen und Abweichungen an der vorliegenden Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang oder dem Geist davon abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist somit beabsichtigt, dass die vorliegende Ausführungsformen solche Modifikationen und Variationen abdecken, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und von deren Äquivalenten fallen. Obwohl beispielhafte Gesichtspunkte der vorliegenden Ausführungsformen zum Zwecke der Veranschaulichung allgemein im Kontext einer Industrie-Gasturbine beschrieben werden, wird ein Fachmann leicht erkennen, dass Gesichtspunkte der vorliegenden Ausführungsformen auf jede Turbomaschine angewendet werden können und nicht auf Industrie-Gasturbinen beschränkt sind, sofern nicht ausdrücklich in den Ansprüchen angegeben. Obwohl hierin eine industrielle, marine oder landgestützte Gasturbine gezeigt und beschrieben wird, ist die vorliegende Offenbarung, wie hierin gezeigt und beschrieben, nicht auf eine landgestützte und/oder industrielle und/oder marine Gasturbine beschränkt, sofern nicht anderweitig in den Ansprüchen angegeben. Beispielsweise kann die hierin beschriebene Offenbarung in jedem Turbinentyp verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine aero-derivative Turbine oder marine Gasturbine sowie eine Flugtriebwerksturbine und/oder Flugzeugtriebwerke.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei sich ähnliche Zahlen auf ähnliche Komponenten beziehen, veranschaulicht 1 ein Beispiel für eine Gasturbine 10, die verschiedene Gesichtspunkte der vorliegenden Ausführungsformen einschließen kann. Wie gezeigt, schließt die Gasturbine 10 im Allgemeinen einen Verdichterabschnitt 12 mit einem Einlass 14 ein, der an einem stromaufwärts gelegenen Ende der Gasturbine 10 angeordnet ist, und ein Gehäuse 16, das den Verdichterabschnitt 12 zumindest teilweise umgibt. Die Gasturbine 10 schließt ferner einen Verbrennungsabschnitt 18 mit mindestens einer Brennkammer 20 stromabwärts des Verdichterabschnitts 12 und einen Turbinenabschnitt 22 stromabwärts des Verbrennungsabschnitts 18 ein. Wie dargestellt, kann der Verbrennungsabschnitt 18 eine Vielzahl der Brennkammern 20 einschließen.
Eine Welle 24 erstreckt sich axial durch die Gasturbine 10. 1 veranschaulicht die radiale 94, axiale 92 und die Umfangsrichtung 90.
Im Betrieb wird Luft 26 in den Einlass 14 des Verdichterabschnitts 12 gesaugt und fortschreitend komprimiert, um dem Verbrennungsabschnitt 18 Druckluft 28 zuzuführen. Die Druckluft 28 strömt in den Verbrennungsabschnitt 18 und wird in der Brennkammer 20 mit Kraftstoff zu einem brennbaren Gemisch vermischt. Das brennbare Gemisch wird in der Brennkammer 20 verbrannt und erzeugt so ein heißes Gas 30, das aus der Brennkammer 20 über eine erste Stufe 32 der Turbinendüsen 34 und in den Turbinenabschnitt 22 strömt. Der Turbinenabschnitt umfasst im Allgemeinen eine oder mehrere Reihen von Rotorblättern 36, die axial durch eine benachbarte Reihe von Turbinendüsen 34 getrennt sind. Die Rotorblätter 36 sind über eine Rotorscheibe mit der Rotorwelle 24 gekoppelt. Die Rotorwelle 24 dreht sich um eine Motormittellinie CL. Ein Turbinengehäuse 38 umschließt zumindest teilweise die Rotorblätter 36 und die Turbinendüsen 34. Jede oder ein Teil der Reihen von Rotorblättern 36 kann konzentrisch von einer Ummantelungsblockanordnung 40 umgeben sein, die innerhalb des Turbinengehäuses 38 angeordnet ist. Das heiße Gas 30 dehnt sich schnell aus, wenn es durch den Turbinenabschnitt 22 strömt. Thermische und/oder kinetische Energie wird von dem heißen Gas 30 auf jede Stufe der Rotorblätter 36 übertragen, wodurch bewirkt wird, dass sich die Welle 24 dreht und mechanische Arbeit erzeugt. Die Welle 24 kann mit einer Last, wie beispielsweise einem Generator (nicht dargestellt), gekoppelt sein, um Strom zu erzeugen. Darüber hinaus oder alternativ dazu kann die Welle 24 zum Antrieb des Verdichterabschnitts 12 der Gasturbine verwendet werden.
2 stellt eine vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht eines beispielhaften Turbinenrotorblatts oder Schaufelblatts 36 bereit, das sich von einer axial nach vorne gerichteten Vorderkante 44 zu einer axial nach hinten gerichteten Hinterkante 46 und von einem radial nach innen gerichteten Ansatz 48 zu einer radial nach außen gerichteten Spitze 42 erstreckt. Das Schaufelblatt 36 schließt eine Plattform 50 ein, die eine radial innere Begrenzung eines Heißgaspfades definiert.
3 zeigt eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht eines beispielhaften Turbinenrotorblatts, das den Schaufelblattkörper 37 darstellt, der von dem Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49 entlang der in 2 veranschaulichten Linie B-B abgelöst ist. Das Turbinenrotorblatt schließt eine axial nach vorne gerichtete Vorderkante 44, eine axial nach hinten gerichtete Hinterkante 46, einen radial nach innen gerichteten Ansatz 49 und eine radial nach außen gerichtete Spitze 42 ein. In der Ausführungsform von 3 werden der Wurzelabschnitt 49 und der Schaufelblattkörper 37 separat gebildet und dann an einer Verbindungsschnittstelle 45 (zum Beispiel an einer Hartlötschnittstelle oder einer Schweißschnittstelle) zusammengefügt.
4 stellt eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht eines Turbinenrotorblatts bereit, das den Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 darstellt, der von dem Schaufelblattkörper 37 entlang der in 2 veranschaulichten Linie A-A abgelöst ist. Das Turbinenrotorblatt schließt eine axial nach vorne gerichtete Vorderkante 44, eine axial nach hinten gerichtete Hinterkante 46, einen radial nach innen gerichteten Ansatz 48 und einen radial nach außen gerichteten Spitzenabschnitt 43 ein. In der Ausführungsform von 4 werden der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 und der Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 separat gebildet und dann an einer Verbindungsschnittstelle 45 (zum Beispiel an einer Hartlötschnittstelle oder einer Schweißschnittstelle) zusammengefügt.
Schaufelblätter, die aus Superlegierungsmaterialien wie Superlegierungen auf Nickelbasis und anderen metallischen Superlegierungen zusammengesetzt sind, können unter Verwendung eines Feingusses gebildet werden, der die gewünschten Materialeigenschaften für den Betrieb innerhalb eines Turbinenabschnitts 22 eines Gasturbinentriebwerks 10 erzeugt. Feinguss kann jedoch in den feinen Merkmaldetails und der Fähigkeit, komplexe und/oder hochauflösende Geometrien mit akzeptabler Reproduzierbarkeit und Toleranz zu erzeugen, eingeschränkt sein. Zum Beispiel können interne Kühlkanäle und Strömungskreisläufe eines Schaufelblatts 36 aufgrund der Einschränkungen von Feinguss einfacher als gewünscht sein. Daher können die Schaufelblätter 36 über lange, schmale Kanäle gekühlt werden, die in der Nähe der Haut des Schaufelblatts angeordnet sind, und zwar über einen STEM-Bohrprozess (Shaped Tube Electrochemical Machining - elektrochemische Formrohrbearbeitung). Das STEM-Bohren kann verwendet werden, um Kanäle in einen Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 zu platzieren, der durch Feinguss ohne einen Spitzenabschnitt 43 und/oder ohne einen Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49 gebildet wird.
5 veranschaulicht eine Draufsicht (radial nach innen gerichtet) eines Querschnitts des Schaufelblatts 36 entlang der in 4 gezeigten Linie D-D. Das Schaufelblatt erstreckt sich von einer Vorderkante 44 zu einer Hinterkante 46 und von einer Druckseite 50 zu einer Saugseite 52 und schließt mindestens einen zentralen Hohlraum 64 ein, der sich radial durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 erstreckt. Ein Vorderkanten-Zufuhrhohlraum 62 erstreckt sich radial durch das Schaufelblatt 36 und erhält Kühlluft von dem Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49 (nicht gezeigt). Kühlluft strömt durch mindestens ein Überkreuzungsloch 66 von dem Vorderkanten-Zufuhrhohlraum 62 in einen Vorderkanten-Sprühkopf 68, der Kühlluft an der Vorderkante 44 über eine Vielzahl von Kühlkanälen (nicht gezeigt) an die Außenseite des Schaufelblatts 36 verteilt. Das Schaufelblatt 36 schließt auch mindestens einen Hinterkanten-Zufuhrhohlraum 70 ein.
Weiter Bezug nehmend auf 5 erstreckt sich eine Vielzahl von kreisförmigen Kühlkanälen 54 radial durch das Schaufelblatt 36 und ist um den Umfang des Schaufelblatts 36 herum beabstandet. Anders ausgedrückt befinden sich die kreisförmigen Kühlkanäle 54 in der Nähe der Außengrenze des Schaufelblatts. Mindestens ein großer Kühlkanal 58 kann sich radial durch das Schaufelblatt 36 erstrecken. Der Querschnitt des einen oder der mehreren großen Kühlkanäle 58 kann verlängert sein, sodass eine Länge des großen Kühlkanals 58 etwa doppelt so groß ist wie der Abstand der Breite des großen Kühlkanals 58. Zusätzlich kann die Länge des großen Kühlkanals 58 einen linearen oder geraden Abschnitt aufweisen, während die Breite des großen Kühlkanals 58 vollständig gerundet sein kann. Mindestens ein mittlerer Kühlkanal 60 kann sich radial durch das Schaufelblatt 36 erstrecken. Der Querschnitt des mindestens einen mittleren Kühlkanals 60 kann eine Länge aufweisen, die etwa das 1,5-fache des Abstands der Breite beträgt. Zusätzlich kann die Länge des mittleren Kühlkanals 60 einen linearen oder geraden Abschnitt aufweisen, während die Breite des mittleren Kühlkanals 60 vollständig gerundet sein kann. Sowohl die Länge als auch die Breite des mittleren Kühlkanals 60 können kleiner sein als die jeweilige Länge und Breite des mindestens einen großen Kühlkanals 58. Außerdem kann ein Durchmesser jedes der kreisförmigen Kühlkanäle 54 kleiner als die Breiten jedes der mittleren und großen Kühlkanäle 60 und 58 sein.
Das Schaufelblatt 36 kann einen oder mehrere schmale Kühlkanäle 56 einschließen, die sich radial durch das Schaufelblatt 36 erstrecken. Der Querschnitt des schmalen Kühlkanals 56 kann eine Länge aufweisen, die etwa das 3-fache des Abstands der Breite beträgt. Zusätzlich kann die Länge des schmalen Kühlkanals 56 einen linearen oder geraden Abschnitt aufweisen, während die Breite des schmalen Kühlkanals 56 vollständig gerundet sein kann. Die Breite des schmalen Kühlkanals 56 kann etwa gleich groß oder kleiner als der Durchmesser jedes kreisförmigen Kühlkanals 54 sein und kann kleiner als die Breite jedes mittleren Kühlkanals 60 und des großen Kühlkanals 54 sein.
Jeder der kreisförmigen Kühlkanäle 54, der eine oder mehrere große Kühlkanäle 58, der mindestens eine mittlere Kühlkanal 60 und der mindestens eine schmale Kanal-Kühlkanal 56 sind um den Umfang des Schaufelblatts 36 herum beabstandet. Anders ausgedrückt befindet sich jeder der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 in der Nähe der Außengrenze des Schaufelblatts 36 und ist somit ein „Umfangs“-Kühlkanal.
Eine Beabstandung 72 definiert den Abstand zwischen jedem der sich radial erstreckenden Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 und der Außengrenze des Schaufelblatts 36. Die Beabstandung 72 kann etwa 50 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 betragen. Zum Beispiel kann die Beabstandung 72 etwa 50 % des Durchmessers der kreisförmigen Kühlkanäle 54 oder etwa 50 % der Breiten jedes der großen, mittleren und schmalen Kühlkanäle 58, 60 und 56 betragen. In anderen Ausführungsformen kann die Beabstandung 72 weniger als etwa 50 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 betragen. In anderen Ausführungsformen kann die Beabstandung 72 kleiner als oder gleich 40 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 sein. In anderen Ausführungsformen kann die Beabstandung 72 kleiner als oder gleich 30 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 sein. In anderen Ausführungsformen kann die Beabstandung 72 kleiner als oder gleich 20 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 sein. In anderen Ausführungsformen kann die Beabstandung 72 kleiner als oder gleich 10 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 sein. Zusätzlich kann der Abstand 72 für jeden oder mindestens einen der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 unterschiedlich sein.
Radiale Seitenverhältnisse jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 sind definiert als die radiale Länge jedes Kühlkanals 54, 56, 58 und 60 geteilt durch die kleinste Querschnittsabmessung des jeweiligen Kühlkanals definiert, wobei die kleinste Abmessung der Durchmesser für kreisförmige Kühlkanäle 54 und die Breite für die großen, mittleren und schmalen Kühlkanäle 58, 60 und 56 ist. Bei Verwendung des STEM-Bohrens kann jeder der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 radiale Seitenverhältnisse von größer als etwa 15 zu 1 aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann jeder der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 radiale Seitenverhältnisse von größer als etwa 25 zu 1 aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann jeder der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 radiale Seitenverhältnisse von größer als etwa 40 zu 1 aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann jeder der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 radiale Seitenverhältnisse von größer als etwa 60 zu 1 aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann jeder der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 radiale Seitenverhältnisse von mehr als etwa 80 zu 1 aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann jeder der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 radiale Seitenverhältnisse von größer als etwa 100 zu 1 aufweisen. Durch die Einbeziehung der radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 mit hohem Seitenverhältnis kann der Kühlstrom sehr nahe an den Außenumfang des Schaufelblatts gebracht werden, wo der Kühlstrom am meisten benötigt wird, während gleichzeitig die strukturelle Integrität des Schaufelblatts 36 aufgrund des relativ schmalen Querschnitts der radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 beibehalten wird. Zusätzlich ermöglichen die radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 mit hohem Seitenverhältnis, dass der Kühlstrom die volle radiale Spannweite des Schaufelblatts einschließlich der Abschnitte der Schaufelblattspitze 42 erreicht, zu denen der Zugang häufig Herausforderungen bereitstellt.
6 veranschaulicht eine Draufsicht (radial nach innen gerichtet) eines Querschnitts des Schaufelblatts 36 entlang der in 4 gezeigten Linie D-D einschließlich beispielhafter Kühlstromrichtungen. Pfeile in der Nähe jedes der Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 geben die Strömungsrichtung innerhalb jedes Kanals an. Aufwärtspfeile zeigen einen Kühlstrom an, der sich radial von der Schaufelblattwurzel 48 (nicht gezeigt) nach außen zur Schaufelblattspitze 42 (nicht gezeigt) bewegt. Abwärtspfeile zeigen einen Kühlstrom an, der in radialer Richtung von einer Schaufelblattspitze 42 (nicht gezeigt) nach innen zu einer Schaufelblattwurzel 48 (nicht gezeigt) strömt. Kühlströme, die radial nach außen (d. h. nach oben) durch einen Kanal strömen, können radial nach innen (d. h. nach unten über einen benachbarten Kanal) strömen und das Schaufelblatt 36 durch den Wurzelabschnitt 48 (nicht gezeigt) verlassen. Eine Strömungsverbindung oder ein Verteiler, der benachbarte Kanäle verbindet, kann in dem Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 (nicht gezeigt) ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen können Kühlströme, die radial nach außen durch das Schaufelblatt 36 strömen, das Schaufelblatt an der Spitze 42 (nicht gezeigt), an der Vorderkante 44, an der Hinterkante 46, an der Saugseite 52 oder an der Druckseite 50 verlassen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 6 kann das Schaufelblatt 36 Kühlströme einschließen, die in andere Richtungen als die radiale Richtung 94 gerichtet sind, beispielsweise in die axiale Richtung 92 und/oder in Umfangsrichtungen 90. Das Schaufelblatt 36 kann einen Übergangskühlstrom 63 einschließen, der aus dem Vorderkanten-Zufuhrhohlraum 62 stammt und der durch das mindestens eine vordere kreuzende Loch 66 in einen Vorderkanten-Sprühkopf 68 strömt. Der Kreuzungskühlstrom 63 führt eine Vielzahl von Vorderkantenfilmkühlströmen 65, die an der kleinsten Kante 44 das Schaufelblatt verlassen, zu. Ein druckseitiger Kühlstrom 67 kann zwischen zwei oder mehr der Vielzahl von kreisförmigen Kühlkanälen 54 (sowie zwischen großen Kühlkanälen 58, mittleren Kühlkanälen 60 und schmalen Kühlkanälen 56) mit der Verbindung strömen, durch welche der druckseitige Kühlstrom 67 strömt, der eher im Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 als in der Schaufelblattspitze 42 (nicht gezeigt) auftritt. In ähnlicher Weise kann das Schaufelblatt 36 auch Kühlströme innerhalb des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 nahe der Saugseite 52 einschließen. Das Schaufelblatt 36 kann eine Hinterkanten-Kreuzungsströmung 69 einschließen, die von dem mindestens einen zentralen Hohlraum 64 stammt und in den Hinterkanten-Zufuhrhohlraum 70 strömt und eine Vielzahl von Hinterkantenfilmkühlströmen 74 an der Schaufelblatthinterkante 46 zuführt.
7 veranschaulicht eine Unteransicht (radial nach außen gerichtet) eines Querschnitts einer Schaufelblattspitze 742 entlang der in 4 gezeigten Schnittlinie C-C, einschließlich einer Spitzenvorderkante 744, einer Spitzenhinterkante 746, einer Spitzensaugseite 752 und einer Spitzendruckseite 750. Die Schaufelblattspitze 742 schließt verschiedene Verbindungsverteiler 776 ein, die mit den radialen Kühlkanälen 54, 56, 58 und 60 innerhalb des in den 5 und 6 gezeigten Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 verbunden sind. Wenn die Schaufelspitze 742 von 7 mit dem in 5 und 6 gezeigten Schaufelkörperabschnitt 37 zusammengefügt ist, können die Verbindungsverteiler 776 eine Fluidverbindung zwischen Kühlkanal 54, 56, 58 und 60 und benachbartem Kühlkanal 54, 56, 58 und 60 bereitstellen. Jeder der Verbindungsverteiler 776 kann so konturiert sein, dass Kühlströme, die radial nach außen durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 strömen, in einen der Verbindungsverteiler 776 eintreten können, wo sie um etwa 180 Grad umgelenkt werden, sodass sie in einer radial nach innen gerichteten Richtung zurück nach unten durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 über einen benachbarten Kühlkanal 54, 56, 58 und 60 strömen. Die Ausführungsform von 2-7 veranschaulicht ein Schaufelblatt 36, das durch Bilden von radialen Kühlkanälen 54, 56, 58 und 60 in einem Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 und Zusammenfügen des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 mit einem separat gebildeten Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 gebildet werden kann, der eine Vielzahl von Verbindungsverteilern 776 einschließt, die Strömungsverbindungen zum Vervollständigen der verschiedenen Strömungskreisläufe innerhalb des Schaufelblatts 36 bereitstellt.
8 veranschaulicht eine Draufsicht (radial nach innen gerichtet) eines Querschnitts des Schaufelblatts 36 entlang der in 4 gezeigten Schnittlinie D-D mit der Vielzahl von Spitzenverbindungsverteilern 876 von 7, die mit gestrichelten Linien oben überlagert ist. Die Vielzahl von Spitzenverbindungsverteilern 876 kann zwei oder mehr radiale Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 einschließlich Kühlkanälen unterschiedlicher Größen zusammenfügen. Beispielsweise kann ein Verbindungsverteiler 876 verbinden: einen großen Kühlkanal 858 mit einem kreisförmigen Kühlkanal 854, einen schmalen Kühlkanal 856 mit einem kreisförmigen Kühlkanal 854, einen kreisförmigen Kühlkanal 854 mit einem anderen kreisförmigen Kühlkanal 854 oder einen mittleren Kühlkanal 860 mit einem kreisförmigen Kühldurchgang 854. Andere Kühlkanalverbindungen und -konfigurationen sind ebenfalls möglich. Zusätzlich können mehrere Spitzenverbindungsverteiler 876 an einem einzigen radialen Kühlkanal 54, 56, 58 und 60 angeschlossen sein.
Unter Bezugnahme auf 7 und 8 schließen die vorliegenden Ausführungsformen eine Architektur mit offener Topologie ein, die es ermöglicht, Strömungsverbindungen über Spitzenverteilerverbindungen 776, 876 herzustellen, sodass verbrauchter oder verwendeter Kühlstrom zu einem anderen Ort oder radialen Kühlkanal 54, 56, 58 und 60 umgeleitet werden kann. Die offene Topologiearchitektur ist nicht auf die Geometrie und/oder Topologie zum Beispiel eines gegossenen Serpentinenkühlkreislaufs begrenzt, der in den verschiedenen Verbindungen, die zwischen dem radialen Kühlkanal 54, 56, 58 und 60 hergestellt werden können, aufgrund der Beschränkungen, die durch einen Kern während des Feingussverfahrens auferlegt werden, beschränkt sein kann. Zum Beispiel kann unter Verwendung der offenen Topologiearchitektur der vorliegenden Ausführungsformen Kühlfluid durch einen Umfangskühlkanal mit hohem Seitenverhältnis radial nach außen strömen und dann über einen Spitzenverbindungsverteiler 776, 876 radial nach innen in einen zentralen Hohlraum 64 umgeleitet werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 7 und 8 ist ein erster Verteiler 753 einen schmalen radialen Kühlkanal 856, der entlang einer Schaufelblatt-Saugseite 852 angeordnet ist, fluidtechnisch an einen zentralen Schaufelblatthohlraum 64 angeschlossen. Ein zweiter Verteiler 755 verbindet einen Hinterkantenhohlraum fluidtechnisch mit einem druckseitigen kleinen radialen Kühlkanal 854. Ein dritter Verteiler 757 verbindet einen kleinen radialen Kühlkanal 854, der entlang einer Schaufelblattdruckseite 850 angeordnet ist, fluidtechnisch mit einem zentralen Schaufelblatthohlraum 64. Die vorliegenden beanspruchten Ausführungsformen können auch andere Fluidverbindungen, Anordnungen und Konfigurationen einschließen, wie in den Figuren veranschaulicht und hierin offenbart.
9 veranschaulicht eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D, die in einem Schaufelblatt 36 der vorliegenden Ausführungsformen zu finden ist. Ein erster radialer Kühlkanal 958A ist über eine erste Vielzahl von Bohrlöchern 982 an einer radial inneren Stelle an jedem der ersten und zweiten radialen Kühlkanäle 958A und 958B mit einem zweiten radialen Kühlkanal 958B verbunden. Der zweite radiale Kühlkanal 958B ist über eine zweite Vielzahl von Bohrlöchern 978 an einer radial äußeren Stelle an jedem der zweiten und dritten radialen Kühlkanäle 958B und 958C mit einem dritten radialen Kühlkanal 958C verbunden. Der dritte radiale Kühlkanal 958C ist über eine dritte Vielzahl von Bohrlöchern 980 an einer radial inneren Stelle an jedem der dritten und vierten radialen Kühlkanäle 958C und 958D mit einem vierten radialen Kühlkanal 958D verbunden. Das Innere jedes der radialen Kühlkanäle 958A-958D kann eine Vielzahl von Strömungskonditionierungsmerkmalen (oder -strukturen) 959 einschließen, wie Vertiefungen, Turbulatoren, Kerben, Rillen, Dosiermerkmale usw., um verbesserte thermische und/oder Strömungsbedingungen innerhalb der radialen Kühlkanäle 958A-958D bereitzustellen. Die Vielzahl von Strömungskonditionierungsmerkmalen 959 kann während des STEM-Bohrverfahrens durch Erhöhen oder Verringern der Vorschubgeschwindigkeit während der elektrochemischen Bearbeitung oder durch Maskieren der Elektrodenspitzen und/oder Variieren der Stromdichte, Stromausrichtung oder beidem gebildet werden. Die erste, zweite und dritte Vielzahl von Bohrlöchern 982, 978 und 980 können sich innerhalb von etwa 10 % oder weniger der radialen Länge der Vielzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D befinden. Zum Beispiel können sich die erste und die dritte Vielzahl von Bohrlöchern 982 und 980 innerhalb von 10 % der radialen Länge der Vielzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D von einem radial inneren Ende der Vielzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D befinden. In ähnlicher Weise kann sich die zweite Vielzahl von Bohrlöchern 978 innerhalb 10 % der radialen Länge der Vielzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D von einem radial äußeren Ende der Vielzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D befinden.
Jeder der Vielzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D kann die Geometrien und/oder Eigenschaften der radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 einschließen, die vorstehend beschrieben und in den 5, 6 und 8 veranschaulicht sind. In anderen Ausführungsformen kann das Schaufelblatt 36 eine andere Anzahl von radialen Kühlkanälen 958A-958D einschließen, d. h. mehr oder weniger als 4 Kanäle. In anderen Ausführungsformen kann das Schaufelblatt mehrere Vielzahlen von Strömungskonditionierungsmerkmalen 959 an jedem der radialen Kühlkanäle 958A-958D oder nur an einer Teilmenge der radialen Kühlkanäle 958A-958D einschließen. In anderen Ausführungsformen kann das Schaufelblatt 36 unterschiedliche Anzahlen und Stellen von Bohrlöchern 978, 980 und 982 einschließen.
10 veranschaulicht eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen 1058A-1058D, die in einem Schaufelblatt 36 der vorliegenden Ausführungsformen zu finden sind, einschließlich eines ersten, zweiten und dritten Satzes von Bohrlöchern 1082, 1080 und 1078 ähnlich denen von 9. 10 veranschaulicht eine standardmäßige Schaufelspitze 1042, die einfach jeden der radialen Kühlkanäle 1058A-1058D abdeckt und die radialen Kühlkanäle 1058A-1058D nicht miteinander verbindet. Die in 10 veranschaulichten Bohrlöcher 1082, 1080 und 1078 (sowie diejenigen von 9) verbinden die radialen Kühlkanäle 1058A-1058D miteinander, wodurch die Notwendigkeit von Verbindungsverteilern 776, 876, wie diejenigen, die in 7 und 8 veranschaulicht sind, verringert oder beseitigt wird.
11 veranschaulicht eine Vielzahl von Schaufelspitzen-Kanalverbindungen 1142, eine Vielzahl von Kühlkanälen 1145 in einem Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 und eine Vielzahl von Schaufelblattwurzel-Kanalverbindungen 1148 gemäß den vorliegenden Ausführungsformen. Die in 11 veranschaulichte Konfiguration schließt keine Bohrlöcher zum Verbinden der Vielzahl von Kühlkanälen 1145 in dem Schaufelblatt-Körperabschnitt ein und verwendet stattdessen die Vielzahl von Schaufelblattspitzen-Kanalverbindungen 1142 zum Verbinden der Kanäle an der Spitze 42 (nicht gezeigt) eines Schaufelblatts 36, und die Vielzahl von Schaufelblattwurzel-Kanalverbindungen 1148 zum Verbinden der Kanäle an der Wurzel 48 (nicht gezeigt) des Schaufelblatts 36. Die Vielzahl von Schaufelspitzen-Kanalverbindungen 1142 und die Vielzahl von Schaufelblattwurzel-Kanalverbindungen 1148 können mit dem Schaufelblatt-Körperabschnitt durch Löten, Schweißen und andere Verbindungsverfahren zusammengefügt werden. Die Vielzahl von Schaufelspitzen-Kanalverbindungen 1142 kann in Form, Geometrie und/oder Funktion den in den 7 und 8 gezeigten Verbindungsverteilern 776, 876 ähnlich sein.
12 veranschaulicht ein Verfahren 1200 zum Bilden eines Schaufelblatts 36 gemäß den vorliegenden Ausführungsformen. Bei Schritt 1202 wird ein Körper eines Schaufelblatts 36 unter Verwendung von Feinguss gegossen. Bei 1204 werden radiale Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 unter Verwendung eines STEM-Bohrverfahrens (Shaped Tube Electrochemical Machining - elektrochemische Formrohrbearbeitung) gebohrt. Bei 1205 kann das Verfahren das Verbinden der radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 über Bohrungen einschließen. Bei 1206 wird ein Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 durch additive Fertigung, Feinguss oder andere Formungsverfahren gebildet. Auch bei 1206 kann ein Einsatz für ein Schaufelblatt 36 und/oder einen Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49 durch additive Fertigung, Feinguss oder andere Formgebungsverfahren gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird nur der Schaufelspitzenabschnitt 43 separat vom Gussteil des Schaufelkörperabschnitts 37 gebildet. In anderen Ausführungsformen werden der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43, der Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49 und/oder ein Einsatz des Schaufelblattes 36 jeweils separat vom Gussteil des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 gebildet. In anderen Ausführungsformen werden der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43, der Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49 und der Einsatz des Schaufelblattes 36 alle durch Gießen während des Gießens des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 gebildet. Bei 1208 schließt das Verfahren das Zusammenbauen und/oder Ausrichten der einzelnen Schaufelblattkomponenten einschließlich des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 zusammen mit dem Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43, dem Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49 und/oder einem Einsatz des Schaufelblatts 36 ein. Bei 1210 schließt das Verfahren das Verwenden eines Co-Bohrens (über Funkenerosion (EDM) oder einen anderen Prozess) des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 zusammen mit den anderen Abschnitten ein, die separat gebildet werden können, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, den Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43, den Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49, eine Schaufelblatt-Hinterkante 46, die Schaufelblatt-Vorderkante 44 und einen Einsatz des Schaufelblatts 36. Beispielsweise können der Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 und der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 gleichzeitig an Grenzflächen von jeder einer Funkenerosionsbearbeitung unterzogen werden, um das Zusammenfügen von Grenzflächen während des Lötens zu verbessern, was Defekte von nicht mehr als 1 bis 2 mil (d. h. 1-2 Tausendstel Zoll) zulässt. Bei 1212 schließt das Verfahren das Zusammenfügen der Abschnitte des Schaufelblatts 36 miteinander durch Löten, Schweißen oder ein anderes Verbindungsverfahren ein. In einer Ausführungsform werden der Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 und der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 an einer Lötschnittstelle, die aus einem Lötverfahren resultiert, zusammengefügt.
Unter weiterer Bezugnahme auf 12 können nach Schritt 1212 weitere Schritte eingeschlossen sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Wärmebehandlung, Oberflächenveredelung, Polieren, Entgraten, Beschichten und andere. Zusätzlich können andere Schritte während des gesamten Prozesses eingeschlossen sein, wie Nachprozessschritte, nachdem der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 und/oder andere Unterkomponenten des Schaufelblatts 36 gebildet sind, jedoch vor dem Zusammenbau. Zusätzlich können einer oder mehrere der in 12 eingeschlossenen Schritte in einigen Ausführungsformen nicht durchgeführt werden. Das Verfahren 1200 kann auch die Schritte des Bildens von Positionierungsmerkmalen und/oder Ausrichtungsmerkmalen in dem Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 und/oder dem Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 in den Schritten 1202 bzw. 1206 einschließen, die dann bei Schritt 1208 verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Abschnitte von der Schaufelblattanordnung vor dem Co-Bohren über EDM oder einen anderen Prozess korrekt ausgerichtet sind. Beispielsweise können Rillen, Kerben, Stifte, Kanäle, Markierungen und andere Merkmale zu dem Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 und/oder dem Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 hinzugefügt werden, sodass ein entsprechendes Aufnahmemerkmal an der Schnittstellenoberfläche des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 und/oder des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts 43 in die Ausrichtungsmerkmale eingreift, um sicherzustellen, dass die zwei Schaufelblattabschnitte vor dem Bohren, Bearbeiten und/oder Zusammenfügen präzise zueinander angeordnet sind.
Das in 12 veranschaulichte Verfahren ermöglicht es dem Schaufelblatt 36 und verschiedenen Teilkomponenten davon, eine offene Topologie beizubehalten, bis diese in Schritt 1212 zusammengefügt werden. Die offene Topologie ermöglicht es, die radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 unter Verwendung eines STEM-Bohrverfahrens (Shaped Tube Electrochemical Machining - elektrochemische Formrohrbearbeitung) um den Umfang des Schaufelblatts 36 zu bohren. Die offene Topologie ermöglicht ferner das Verbinden der radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 über Bohrlöcher, die etwa 90 Grad von der radialen Richtung 94 entfernt sind. Die offene Topologie ermöglicht es auch, dass der radial nach innen gerichtete Abschnitt des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts 43 während der Ausbildung offen ist (entweder durch additive Fertigung oder durch Feinguss), wodurch der radial nach innen gerichtete Abschnitt des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts 43 verbesserte Merkmaldetails einschließen kann, die in den verschiedenen Verbindungsverteilern 776 gebildet sind. Durch Verwendung von STEM zum Bilden der radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 anstelle des Gießens können die radialen Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 näher an der Oberfläche der Schaufel 36 platziert werden. Die Präzision des STEM-Verfahrens ermöglicht eine höhere Teilausbeute als durch Gießen zuverlässig erreicht werden kann.
Das Schaufelblatt 36 der vorliegenden Ausführungsform kann ein rotierendes Schaufelblatt, wie Turbinenleitschaufeln und -blätter sowie ein stationäres Schaufelblatt, wie, aber nicht beschränkt auf, Gasturbinen-Schaufelblätter oder Turbinendüsen-Schaufelblätter, sein. Durch Bilden von radialen Kühlkanälen 54, 56, 58 und 60, die an den Umfang des Schaufelblatts 36 angrenzen und/oder diesem benachbart sind, mit einem hohen Seitenverhältnis (größer als 15, 25, 40, 60, 80 und/oder 100) kann der kühlste Luftstrom am nächsten am Außenumfang des Schaufelblatts strömen, wodurch das Wärmemanagement (einschließlich des Eliminierens von Heißstellen, des Reduzierens von Wärmegradienten und des Reduzierens der Menge an erforderlichem Kühlstrom) des Schaufelblatts 36 verbessert wird. Das Verfahren 1200 zum Formen eines Schaufelblatts unter Verwendung einer offenen Topologie ermöglicht das Bilden präziser radialer Kühlkanäle 54, 56, 58 und 60 mit hohem Aspektverhältnis in dem Schaufelblatt 36, während auch Strömungskreisverbindungen über Bohrlöcher 978, 980 und 982 und/oder über Verbindungsverteiler 776, 876 in dem Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 hergestellt werden können.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die vorliegenden Ausführungsformen zu offenbaren, einschließlich der besten Verfahrensweise, und auch um einem Fachmann zu ermöglichen, die vorliegenden Ausführungsformen anzuwenden, einschließlich der Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und der Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren. Der patentierbare Schutzumfang der Offenbarung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele einschließen, die dem Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente einschließen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden im Vergleich zu dem Wortlaut der Ansprüche einschließen.

Claims

Schaufelblatt, umfassend: einen Schaufelblatt-Körperabschnitt 37; einen Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43, der radial außerhalb des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 angeordnet ist; einen Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49; und eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen 54, 56, 58, 60, die sich durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 von dem Wurzelabschnitt 49 zu dem Spitzenschaufelblattabschnitt 43 erstrecken, wobei der Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 und der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 an einer Lötschnittstelle 45 oder einer Schweißschnittstelle 45 zusammengefügt sind, und wobei der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 ferner mindestens einen Verteiler 753, 755, 757, 776 umfasst, wobei der mindestens eine Verteiler 753, 755, 757, 776 mindestens einen radialen Kühlkanal 54, 56, 58, 60 der Vielzahl von radialen Kühlkanälen mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal 54, 56, 58, 60 fluidtechnisch verbindet.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, wobei jeder radiale Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen ein Seitenverhältnis definiert, das eine radiale Länge jedes radialen Kühlkanals geteilt durch eine kleinste Querschnittsabmessung jedes radialen Kühlkanals umfasst, wobei mindestens ein radialer Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen ein Seitenverhältnis von mehr als etwa 60 zu 1 umfasst.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, wobei die kleinste Querschnittsabmessung eine von einem Durchmesser jedes radialen Kühlkanals und einer Breite jedes radialen Kühlkanals ist.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens ein Loch, das mindestens einen radialen Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal verbindet.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, wobei der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt durch additive Fertigung oder Feinguss gebildet wird.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, wobei der Schaufelblatt-Körperabschnitt durch Feinguss gebildet wird.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, ferner umfassend: wobei der Schaufelblatt-Wurzelabschnitt radial innerhalb des Schaufelblatt-Körperabschnitts angeordnet ist und wobei der Schaufelblatt-Körperabschnitt und der Schaufelblatt-Wurzelabschnitt an einer Lötschnittstelle zusammengefügt sind.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, ferner umfassend: wobei jeder radiale Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen weniger als etwa 50 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes radialen Kühlkanals von einem Schaufelblattumfang beabstandet ist.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens ein Loch, das mindestens einen radialen Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal verbindet.
Schaufelblatt nach Anspruch 2, ferner umfassend: mindestens ein Loch, das mindestens einen radialen Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal verbindet; und der mindestens eine radiale Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen ferner mindestens eine Strömungskonditionierungsstruktur umfasst, wobei der Schaufelblatt-Körperabschnitt durch Feinguss gebildet wird, wobei der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt durch additive Fertigung gebildet wird, wobei jeder radiale Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen weniger als etwa 50 % einer kleinsten Querschnittsabmessung jedes radialen Kühlkanals von einem Schaufelblattumfang beabstandet ist und wobei die kleinste Querschnittsabmessung eine Breite eines radialen Kühlkanals ist.
Schaufelblatt, umfassend: einen Schaufelblatt-Körperabschnitt 37; einen Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43, der radial außerhalb des Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 angeordnet ist; einen Schaufelblatt-Wurzelabschnitt 49; und eine Vielzahl von radialen Kühlkanälen 54, 56, 58, 60, die sich durch den Schaufelblatt-Körperabschnitt 37 von dem Wurzelabschnitt 49 zu dem Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 erstreckt, wobei der Schaufelblatt-Spitzenabschnitt 43 ferner mindestens einen Verteiler 753, 755, 757, 776 umfasst, wobei der mindestens eine Verteiler 753, 755, 757, 776 mindestens einen radialen Kühlkanal 54, 56, 58, 60 der Vielzahl von radialen Kühlkanälen mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal 54, 56, 58, 60 fluidtechnisch verbindet und wobei sich der mindestens eine Verteiler 753, 755, 757, 776 radial außerhalb von mindestens einer gemeinsamen Schnittstelle 45 befindet.
Schaufelblatt nach Anspruch 11, wobei jeder radiale Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen ein Seitenverhältnis definiert, das eine radiale Länge jedes radialen Kühlkanals geteilt durch eine kleinste Querschnittsabmessung jedes radialen Kühlkanals umfasst, wobei mindestens ein radialer Kühlkanal der Vielzahl von radialen Kühlkanälen ein Seitenverhältnis von mehr als etwa 60 zu 1 umfasst und wobei die mindestens eine Verbindungsschnittstelle mindestens eine Lötschnittstelle und/oder eine Schweißschnittstelle umfasst.
Verfahren zum Bilden eines Schaufelblatts, umfassend: Bilden eines Schaufelblatt-Körperabschnitts 37 durch Feinguss 1202; Bilden mindestens eines radialen Kühlkanals 54, 56, 58, 60 innerhalb des Schaufelblattkörpers 37 unter Verwendung einer elektrochemischen Formrohrbearbeitung (STEM) 1204; Bilden 1206 eines Schaufelblatt-Spitzenabschnitts 43; und Zusammenfügen 1212 des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts 43 mit dem Schaufelblatt-Körperabschnitt 37.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bilden eines Schaufelblatt-Spitzenabschnitts das Bilden eines Schaufelblatt-Spitzenabschnitts durch additive Fertigung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bilden eines Schaufelblatt-Spitzenabschnitts das Bilden eines Schaufelblatt-Spitzenabschnitts durch Feinguss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine radiale Kühlkanal ein Seitenverhältnis definiert, das eine radiale Länge des mindestens einen radialen Kühlkanals geteilt durch eine kleinste Querschnittsabmessung des mindestens einen radialen Kühlkanals umfasst und wobei das Seitenverhältnis größer als etwa 60 zu 1 ist
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Bilden einer Vielzahl von radialen Kühlkanälen innerhalb des Schaufelblattkörpers unter Verwendung von elektrochemischer Formrohrbearbeitung (STEM); und Bilden mindestens eines Bohrlochs in dem Schaufelblattkörper, das mindestens einen radialen Kühlkanal mit mindestens einem anderen radialen Kühlkanal verbindet.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Funkenerosionsbearbeitung (EDM) des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts und des Schaufelblatt-Körperabschnitts vor dem Zusammenfügen des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts mit dem Schaufelblatt-Körperabschnitt.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Bilden mindestens eines Strömungskonditionierungsmerkmals in dem mindestens einen radialen Kühlkanal während des elektrochemischen Formrohrbearbeitungsverfahrens (STEM-Verfahrens).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Zusammenfügen des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts mit dem Schaufelblatt-Körperabschnitt das Zusammenfügen des Schaufelblatt-Spitzenabschnitts mit dem Schaufelblatt-Körperabschnitt über einen Lötprozess und/oder einen Schweißprozess umfasst.