DE202017104734U1

DE202017104734U1 - System zum Abführen von Wärme von Turbomaschinenkomponenten

Info

Publication number: DE202017104734U1
Application number: DE202017104734.2U
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: US10753228B2; US20180045073A1; JP3213108U

Abstract

Turbomaschinenkomponente (206) aufweisend:
einen Zuströmverteiler (608), der dazu eingerichtet ist, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen, wobei der Zuströmverteiler eine Mehrzahl von Zuströmkammern (609) aufweist;
einen Rückströmverteiler (610) aufweisend eine Mehrzahl von Rückströmkammern (611); und
eine Seitenwand (600), die eine Mehrzahl von Zuströmkanälen (612) und eine Mehrzahl von Rückströmkanälen (613) darin bildet, wobei die Seitenwand aufweist:
eine innere Oberfläche (654); und
eine äußere Oberfläche (652) entgegengesetzt zur inneren Oberfläche;
wobei jeder Zuströmkanal von der Mehrzahl von Zuströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern steht, wobei jeder Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern steht, und wobei die Seitenwand zumindest teilweise eine erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) benachbart zu der äußeren Oberfläche bildet, wobei jeder Mikrokanal der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen in Fluidverbindung mit einem jeweiligen Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen und einem jeweiligen Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich allgemein auf Turbomaschinen und genauer auf Systeme zum Abführen von Wärme von Turbomaschinenkomponenten.
Bei zumindest einigen bekannten Gasturbinen wird Luft in einem Kompressor unter Druck gesetzt und in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt, um einen Strom von Hochtemperatur-Verbrennungsgasen zu erzeugen. Energie wird in einer Turbine aus dem Gasstrom entnommen, die eine mechanische Last antreibt. Während des Betriebs der Gasturbine werden verschiedene Heißgaspfadkomponenten dem Hochtemperatur-Gasstrom ausgesetzt, was Verschleiß in den Heißgaspfadkomponenten erzeugen kann. Allgemein erhöhen Gase mit höherer Temperatur die Leistungsfähigkeit, Effizienz und Leistungsabgabe der Gasturbine. Daher werden zumindest einige bekannte Heißgaspfadkomponenten gekühlt, um es der Gasturbine zu ermöglichen, mit den erhöhten Hochtemperatur-Verbrennungsgasströmen zu arbeiten.
Einige bekannte Heißgaspfadkomponenten enthalten ein Flügelblatt mit einem Kühlsystem, so dass ein Kühlstrom, der typischerweise aus Abzapfluft zusammengesetzt ist, die von dem Kompressor entnommen wird, durch interne Kühldurchgänge zwangsgeführt ist, die innerhalb des Flügelblatts gebildet sind. Die Luft wird dann durch Kühllöcher oder Kühldurchgänge an der Außenfläche des Flügelblatts abgegeben, um Wärme von der Heißgaspfadkomponente weg abzuführen. Diese Zwangsluftkühlung ermöglicht es den Heißgaspfadkomponenten in Hochtemperatur-Gasströmen zu funktionieren. Obwohl einige bekannte Kühlsysteme interne Kühldurchgänge enthalten, sind solche bekannten Kühlsysteme allgemein unzureichend beim Ermöglichen einer gleichmäßigen oder gewünschten Kühlung des Flügelblatts. Zum Beispiel enthalten solche bekannten Systeme allgemein lange, unidirektionale interne Kühldurchgänge, die allgemein eine Wiedergewinnung von erwärmten Teilen des Kühlmittelstromes nicht ermöglichen bis deutlich nachdem die Kühlkapazität des Kühlmittelstromes signifikant herabgesetzt wurde. Als Folge davon erhalten Abschnitte des Flügelblatts keine adäquate Kühlung und sind anfänglich für unerwünschte eingebrachte Temperaturgradienten. Solche Temperaturgradienten führen zur suboptimalen Kühlung und Effizienz des Flügelblatts.
KURZE BESCHREIBUNG
Bei einem Aspekt wird eine Turbomaschinenkomponente bereitgestellt. Die Turbomaschinenkomponente enthält einen Zuströmverteiler, einen Rückströmverteiler und eine Seitenwand. Der Zuströmverteiler ist dazu eingerichtet, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen und enthält eine Mehrzahl von Zuströmkammern. Der Rückströmverteiler enthält eine Mehrzahl von Rückströmkammern. Die Seitenwand bildet eine Mehrzahl von Zuströmkanälen und eine Mehrzahl von Rückströmkanälen darin. Die Seitenwand enthält eine innere Oberfläche und der inneren Oberfläche entgegengesetzte äußere Oberfläche. Jeder Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen steht in Fluidverbindung mit wenigstens einer Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern. Jeder Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht in Fluidverbindung mit wenigstens einer Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern. Die Seitenwand bildet zumindest teilweise eine erste Mehrzahl von Mikrokanälen benachbart zu der äußeren Oberfläche, wobei jeder Mikrokanal der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen in Fluidverbindung mit einem Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen und einem Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht.
Bei einem anderen Aspekt ist ein System zum Abführen von Wärme aus einer Turbomaschinenkomponente bereitgestellt. Die Turbomaschinenkomponente enthält eine Seitenwand, die außerdem eine innere Oberfläche und eine der inneren Oberfläche entgegengesetzte äußere Oberfläche, einen Zuströmverteiler, der dazu eingerichtet ist, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen, wobei der Zuströmverteiler eine Mehrzahl von Zuströmkammern aufweist, und einen Rückströmverteiler, wobei der Rückströmverteiler eine Mehrzahl von Rückströmkammern aufweist. Das System enthält eine Mehrzahl von Zuströmkanälen und eine Mehrzahl von Rückströmkanälen, die durch die Seitenwand gebildet sind. Jeder Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen steht in Fluidverbindung mit wenigstens einer Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern. Jeder Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht in Fluidverbindung mit wenigstens einer Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern. Das System enthält außerdem eine erste Mehrzahl von Mikrokanälen benachbart zu der äußeren Oberfläche, die zumindest teilweise durch die Seitenwand gebildet sind. Jeder Mikrokanal der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen steht in Fluidverbindung mit einem Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen und einem Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen.
Bei noch einem anderen Aspekt ist eine Turbomaschine bereitgestellt. Die Turbomaschine enthält einen Kompressor, eine rotativ mit dem Kompressor verbundene Turbine, eine Brennkammer, die in Fluidverbindung mit dem Kompressor und der Turbine verbunden ist und wenigstens eine Turbomaschinenkomponente, die mit der Turbine verbunden ist. Die Turbomaschinenkomponente enthält außerdem einen Zuströmverteiler, einen Rückströmverteiler und eine Seitenwand. Der Zuströmverteiler ist dazu eingerichtet, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen und enthält eine Mehrzahl von Zuströmkammern. Der Rückströmverteiler enthält eine Mehrzahl von Rückströmkammern. Die Seitenwand bildet eine Mehrzahl von Zuströmkanälen und eine Mehrzahl von Rückströmkanälen darin. Die Seitenwand enthält eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche entgegengesetzt zur inneren Oberfläche. Jeder Zustromkanal von der Mehrzahl von Zuströmkanälen steht in Fluidverbindung mit wenigstens einer Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern. Jeder Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht in Fluidverbindung mit wenigstens einer Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern. Die Seitenwand bildet zumindest teilweise eine erste Mehrzahl von Mikrokanälen benachbart zur äußeren Oberfläche, wobei jeder Mikrokanal der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen in Fluidverbindung mit einem Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen und einem Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen beschreiben, wobei:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbine ist;
2 eine vergrößerte schematische Ansicht einer beispielhaften ersten Turbinenstufe der in 1 gezeigten Gasturbine ist;
3 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Turbomaschinenkomponente ist, genauer eines Flügelblatts aus 2, entlang der Linie 3-3 (in 2 gezeigt);
4 eine Querschnittsansicht eines vergrößerten Abschnitts des in 3 gezeigten Flügelblatts ist;
5 eine Querschnittsansicht eines alternativen vergrößerten Abschnitts des in 3 gezeigten Flügelblatts ist;
6 eine erste isometrische Ansicht eines beispielhaften Seitenwandabschnitts einer Turbomaschinenkomponente ist, der in dem Flügelblatt aus 3 verwendet werden kann;
7 eine zweite isometrische Ansicht des in 6 gezeigten Seitenwandabschnitts der Turbomaschinenkomponente ist; und
8 eine Querschnittsansicht eines Hinterkantenabschnitts des in 3 gezeigten Flügelblatts ist.
Solange nichts anderes angegeben ist, sind die hierin bereitgestellten Zeichnungen dazu bestimmt, Merkmale von Ausführungsbeispielen der Offenbarung zu veranschaulichen. Diese Merkmale werden als in einer großen Vielfalt von Systemen anwendbar angenommen, umfassen ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der Offenbarung. Als solche sind die Zeichnungen nicht dazu bestimmt, alle konventionellen Merkmale zu enthalten, die Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet als erforderlich für das Ausführen der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele bekannt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen wird auf einer Anzahl von Begriffen Bezug genommen, die definiert sein sollen, um die folgenden Bedeutungen zu haben.
Die Einzahlformen „ein/eine/einer“ und „der/die/das“ enthalten auch Pluralbezugnahmen, solange im Kontext nicht deutlich etwas anderes angegeben ist.
„Optional“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand auftreten kann oder nicht auftreten kann und dass die Beschreibung Beispiele enthält, wo das Ereignis auftritt und Beispiele, wo es nicht auftritt.
Annähernde Formulierungen, wie sie hierin durchgängig durch die Beschreibung und die Ansprüche verwendet werden, können angewandt werden, um eine quantitative Darstellung zu modifizieren, die zulässigerweise variieren kann ohne zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion zu führen, auf die sie bezogen ist. Dementsprechend ist ein Wert, der durch einen Ausdruck oder Ausdrücke, wie etwa „etwa“, „näherungsweise“ und „im Wesentlichen“ modifiziert ist, nicht auf den angegebenen präzisen Wert beschränkt. Bei zumindest einigen Beispielen kann die näherungsweise Beschreibung der Genauigkeit eines Instruments zum Messen des Wertes entsprechen. Hier und durchgängig durch die Beschreibung und die Ansprüche, können Bereichsgrenzen kombiniert und/oder ausgetauscht werden. Solche Bereiche werden identifiziert und enthalten alle Unterbereiche, die darin enthalten sind, solange der Kontext oder die Wortwahl nichts anderes angibt.
Wie es hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „axial“ auf Richtungen und Orientierungen, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse der Gasturbine erstrecken. Außerdem bezieht sich der Begriff „radial“ auf Richtungen und Orientierungen, die sich im Wesentlichen rechtwinklig zu der Längsachse der Gasturbine erstrecken. Zusätzlich, wie es hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Umfangs-„ auf Richtungen und Orientierungen, die sich gekrümmt um die Längsachse der Gasturbine erstrecken.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Systeme zum Abführen von Wärme und zum Bereitstellen einer Kühlung von Turbomaschinenkomponenten. Genauer wird bei der beispielhaften Ausführungsform einer Turbomaschinenkomponente bereitgestellt, die ein Kühlsystem innerhalb einer Seitenwand der Turbomaschinenkomponente aufweist. Das Kühlsystem enthält eine Reihe von kapillarähnlichen internen Kühldurchgängen, die dazu eingerichtet sind, einen Strom eines Kühlmittels an benachbart zu einer äußeren Oberfläche der Seitenwand vorhandenen Mikrokanälen abzugeben. Das Mikrokanalkühlen reduziert signifikant die Kühlerfordernisse durch Anordnen des Kühlmittelstroms so nahe wie möglich an den zu kühlenden Bereich. Zum Beispiel ist im Falle eines Flügelblatts einer Gasturbine die äußere Oberfläche des Flügelblatts unmittelbar einem Heißgaspfad ausgesetzt. Dementsprechend sind die Mikrokanäle bei der beispielhaften Ausführungsform, in der die Turbomaschinenkomponente ein Flügelblatt ist, benachbart zu der äußeren Oberfläche des Flügelblatts angeordnet. Allgemein umfasst der Begriff „Mikrokanal“ Kanäle, die eine ungefähre Tiefe und Breite im Bereich von 0,1 mm bis 3,0 mm haben.
Die kapillarähnliche Struktur der beispielhaften Ausführungsform hat einige Vorteile gegenüber bekannten Kühlsystemen. Die Verwendung von Mikrokanälen, um den Kühlmittelstrom benachbart zu der äußeren Oberfläche zu leiten, vereinfacht einen effizienten Wärmetausch zwischen den Mikrokanälen und der äußeren Oberfläche des Flügelblatts. Auch vereinfacht die beispielhafte Ausführungsform weiter die Verwendung von kurzen Mikrokanälen, das Teile des Kühlmittelstroms, die durch einen gegebenen Mikrokanal hindurchgehen, einfach wiedergewonnen werden können, nachdem der Wärmetausch erfolgt ist. Als Folge davon sind der Betrag und die Variation in das Flügelblatt eingebrachten Temperaturgradienten reduziert. Außerdem vereinfacht die kapillarähnliche Struktur das Variieren der Anzahl und der Anordnung von Mikrokanälen benachbart zu der äußeren Oberfläche der Flügelblattseitenwand. Als Folge davon können zusätzliche Mikrokanäle benachbart zu Abschnitten der Flügelblattseitenwand positioniert werden, die während des Betriebs höheren Temperaturen ausgesetzt sind.
1 ist eine schematische Ansicht einer Rotationsmaschine 100, d.h. einer Turbomaschine, und genauer einer Turbine. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Turbine 100 eine Gasturbine. Alternativ ist die Turbine 100 irgendeine andere Turbine und/oder Rotationsmaschine, umfassend und ohne Begrenzung eine Dampfturbine, ein Luftfahrzeugantrieb, eine Windturbine und ein Kompressor. Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält die Gasturbine 100 einen Lufteinlassabschnitt 102 und einen Kompressorabschnitt 104, der stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit den Einlassabschnitt 102 verbunden ist. Ein Brennkammerabschnitt 106 ist stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit dem Kompressorabschnitt 104 verbunden und ein Turbinenabschnitt 108 ist stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit dem Brennkammerabschnitt 106 verbunden. Stromabwärts von dem Turbinenabschnitt 108 ist ein Auslassabschnitt 110. Außerdem ist der Turbinenabschnitt 108 bei der beispielhaften Ausführungsform rotativ mit dem Kompressorabschnitt 104 durch eine Rotoranordnung 112 verbunden.
Beim Betrieb leitet der Lufteinlassabschnitt 102 Luft 114 zum Kompressorabschnitt 104. Der Kompressorabschnitt 104 komprimiert die Einlassluft 114 auf höhere Drücke vor dem Abgeben der komprimierten Luft 116 zum Brennkammerabschnitt 106. Die komprimierte Luft 116 wird zum Brennkammerabschnitt 106 geleitet, wo sie mit Brennstoff (nicht gezeigt) gemischt und verbrannt wird, um Hochtemperatur-Verbrennungsgase 118 zu erzeugen. Die Verbrennungsgase 118 werden stromabwärts zum Turbinenabschnitt 108 geleitet, so dass nach dem Auftreffen auf Turbinenschaufeln (nicht gezeigt) thermische Energie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt ist, die verwendet wird, um die Rotoranordnung 112 um eine Längsachse 120 anzutreiben. Häufig werden der Brennkammerabschnitt 106 und der Turbinenabschnitt 108 als ein Heißgasabschnitt der Turbine 100 bezeichnet. Abgase 122 werden durch den Auslassabschnitt 110 an die umgebende Atmosphäre abgegeben.
2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht einer beispielhaften ersten Turbinenstufe 200 der Turbine 100 (die in 1 gezeigt ist). Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält der Turbinenabschnitt 108 eine Mehrzahl von Statorleitflügeln 202, die in Umfangsrichtung beabstandet um die Längsachse 120 (in 1 gezeigt) sind und eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 204, die auch in Umfangsrichtung um die Längsachse 120 beabstandet sind. Eine Reihe von Statorleitflügeln 202 und eine Reihe von Turbinenschaufeln 204 bildet eine Turbinenstufe, z.B. die erste Turbinenstufe 200, die die erste Turbinenstufe stromabwärts vom Brennkammerabschnitt 106 (in 1 gezeigt) ist. Obwohl eine einzige Turbinenstufe 200 in 1 gezeigt ist, kann der Turbinenabschnitt 108 irgendeine Anzahl von axial beabstandeten Turbinenstufen enthalten.
Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält der Statorleitflügel 202 ein Flügelblatt 206, das mit einem Turbinengehäuse 208 verbunden ist. Das Flügelblatt 206 enthält eine Druckseitenwand 210, die mit einer entgegengesetzten Saugseitenwand 212 verbunden ist. Die Druckseitenwand 210 und die Saugseitenwand 212 erstrecken sich von einer Wurzel 214 zu einer entgegengesetzten Spitze 216, was eine Radialrichtung 217 definiert, so dass das Flügelblatt 206 eine radiale Länge 218 aufweist, die sich in Radialrichtung 217 erstreckt. Die Druckseitenwand 210 und die Saugseitenwand 212 definieren auch eine Vorderkante 220 und eine entgegengesetzte Hinterkante 222. Die Vorderkante 220 und die Hinterkante 222 definieren eine Längsrichtung 223. Außerdem enthält die Turbinenschaufel 204 ein Flügelblatt 224, das durch eine Scheibe 226 mit der Rotoranordnung (in 1 gezeigt) verbunden ist. Jedes Flügelblatt 206 und 224 ist mit einer Schicht 225 einer wärmedämmenden Beschichtung (TBC) beschichtet. Die TBC-Schicht 225 ist an jedem Flügelblatt 206 und 224 zum erhöhten Schutz gegen die Hochtemperatur-Verbrennungsgase 118 gebildet.
Während des Betriebs der Turbine 100 (in 1 gezeigt), sind die Statorleitflügel 202 und die Turbinenschaufeln 204 innerhalb des Heißgaspfades 228 des Turbinengehäuses 208 angeordnet, so dass eine Strömung von Hochtemperatur-Verbrennungsgasen 118 dort hindurchgeleitet ist, wobei die äußeren Oberflächen des Statorleitflügel-Flügelblatts 206 und des Turbinenschaufel-Flügelblatts 224 hohen Temperaturen und potentiell entsprechenden thermischen Belastungen und/oder thermischen zunehmenden Schädigungen ausgesetzt sind. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Heißgaspfad 228 zumindest teilweise durch das Turbinengehäuse 208, das Statorleitflügel-Flügelblatt 206 und das Turbinenschaufel-Flügelblatt 224 gebildet. Außerdem ist der Heißgaspfad 228 weiter durch Turbomaschinenkomponenten gebildet, ohne Beschränkung enthaltend Endwände, Deckbänder, Leitflügel und Leitapparate (nicht gezeigt). Um wenigstens teilweise solche thermischen Beanspruchungen zu berücksichtigen, enthält das Statorleitflügel-Flügelblatt 206 und/oder irgendeine andere Komponente des Heißgasabschnitts ein Kühlsystem 230. Das Kühlsystem 230 enthält einen Kühlzufuhrdurchgang 232, der in dem Turbinengehäuse 208 gebildet ist, der in Strömungsverbindung mit wenigstens einem Kühldurchgang 234 verbunden ist, der innerhalb des Statorleitflügel-Flügelblatts 206 gebildet ist. Ein Strom eines Kühlmittelfluids 236 wird durch eine Kühlmittelstromquelle (nicht gezeigt) durch das Kühlsystem 230 geleitet, um das Abführen von Wärme von dem Flügelblatt 206 zu vereinfachen und einen konsistenten und gleichförmigen Temperaturgradienten des Flügelblatts 206 aufrecht zu erhalten, um die Komponenteneffizienz zu erhöhen. Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält das Kühlmittelfluid 236 unter Druck stehende Abzapfluft vom Kompressorabschnitt 104 (in 1 gezeigt). Obwohl Luft konkret beschrieben ist, kann bei alternativen Ausführungsbeispielen ein anderes Fluid als Luft verwendet werden, um die Komponenten zu kühlen, die den Verbrennungsgasen 118 ausgesetzt sind. Der Begriff Fluid, wie er hierin verwendet wird, enthält irgendein Medium oder Material, das strömt, enthaltend, aber nicht beschränkt auf Gas, Dampf und Luft.
3 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Turbomaschinenkomponente, genauer eines Flügelblatts 206 entlang der Linie 3-3 (in 2 gezeigt). Bei dieser beispielhaften Ausführungsform enthält das Flügelblatt 206 eine Flügelblattseitenwand 209. Die Flügelblattseitenwand 209 enthält allgemein eine äußere Oberfläche 280, die Verbrennungsgasen 118 (in den 1 und 2 gezeigt) ausgesetzt ist und eine entgegengesetzte innere Oberfläche 282, die ein internes Flügelblattvolumen 284 bildet. Die Flügelblattseitenwand 209 ist allgemein in eine Druckseitenwand 210 und eine Saugseitenwand 212 unterteilbar, wobei die Druckseitenwand 210 und die Saugseitenwand 212 an einer Hinterkante 222 verbunden sind. Genauer verlaufen die Druckseitenwand 210 und die Saugseitenwand 212 zunehmend konisch aufeinander zu, um einen Hinterkantenabschnitt 300 zu bilden, so dass jede der Saugseitenwand 212 und der Druckseitenwand 210 miteinander verbunden sind. Die Druckseitenwand 210 enthält eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke 304 mit einer äußeren Oberfläche 306, die den Verbrennungsgasen 118 (in 1 und 2 gezeigt) ausgesetzt ist und eine entgegengesetzte innere Oberfläche 308. Gleichermaßen enthält die Saugseitenwand 212 eine im Wesentlichen gleichförmigen Dicke 310 mit einer äußeren Oberfläche 312, die den Verbrennungsgasen 118 ausgesetzt ist und eine entgegengesetzte innere Oberfläche 314. Die Druckseitenwand 210 und die Saugseitenwand 212 bilden auch eine Vorderkante 220 entgegengesetzt zur Hinterkante 222. Die Vorderkante 220 und die Hinterkante 222 definieren eine Längsrichtung 223.
Das Flügelblatt 206 ist dazu eingerichtet, einen Strom eines Kühlmittelfluids mittels eines Kühlsystems 230 (in 2 gezeigt) aufzunehmen. Genauer gelangt der Strom aus Kühlmittel, der durch das Kühlsystem 230 bereitgestellt wird, in das Flügelblatt 206 und wird durch einen Zuströmverteiler 290 verteilt. Bei der beispielhaften Ausführungsform nimmt der Zuströmverteiler 290 teilweise das interne Flügelblattvolumen 284 ein. Der Zuströmverteiler 290 enthält eine Mehrzahl von Zuströmkammern, wie etwa die Zuströmkammer 292, die sich durch das interne Flügelblattvolumen 284 erstreckt und das Verteilen von Teilen des Stroms des Kühlmittelfluids zu der Flügelblattseitenwand 209 ermöglicht. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Zuströmverteiler 290 dazu eingerichtet, Teile des Stroms von Kühlmittelfluid zu verschiedenen Abschnitten der Flügelblattseitenwand 209 zu fördern, einschl. Abschnitten der Druckseitenwand 210, der Saugseitenwand 212 und der Vorderkante 220. Das Flügelblatt 206 enthält außerdem einen Rückströmverteiler 294, der eine Mehrzahl von Rückströmkammern aufweist, wie etwa die Rückströmkammer 296. Der Rückströmverteiler 294 ist dazu eingerichtet, eine Rückströmung des Stroms des Kühlmittelfluids zu ermöglichen, nachdem es verwendet wurde, um die Abschnitte der Flügelblattseitenwand 209 zu kühlen.
Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält das Flügelblatt 206 einen Zuströmverteiler 290 und einen Rückströmverteiler 294, die dazu eingerichtet sind, einen Strom des Kühlmittelfluids jeweils zuzuführen bzw. zurückzuführen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Turbomaschinenkomponenten mehr als einen Zuströmverteiler und/oder Rückströmverteiler aufweisen. Zum Beispiel kann eine Turbomaschinenkomponente bei bestimmten Ausführungsbeispielen einen ersten Zuströmverteiler und einen ersten Rückströmverteiler zur Kühlung eines ersten Seitenwandabschnitts der Turbomaschinenkomponente und einen zweiten Zuströmverteiler und einen zweiten Rückströmverteiler zur Kühlung eines zweiten Seitenwandabschnitts der Turbomaschinenkomponente aufweisen.
4 ist eine Querschnittsansicht eines vergrößerten Abschnitts des Flügelblatts 206 (in 3 gezeigt). Genauer ist 4 eine Querschnittsansicht einer Detailansicht A (in 3 gezeigt) der Druckseitenwand 210 der Flügelblattseitenwand 209. Angeordnet zwischen der äußeren Oberfläche 280/306 und der inneren Oberfläche 282/308 ist eine Reihe von internen Kühldurchgängen, die nachfolgend genauer beschrieben sind, die dazu eingerichtet sind, einen Kühlmittelstrom innerhalb der Flügelblattseitenwand 209 zu verteilen. Die internen Kühldurchgänge enthalten allgemeine Mikrokanäle 406, die benachbart zur äußeren Oberfläche 280/306 angeordnet sind und Kanäle 404, die zwischen der äußeren Oberfläche 280/306 und der inneren Oberfläche 282/308 angeordnet sind. Die Kanäle 404 sind dazu eingerichtet, in Fluidverbindung mit einem oder mehreren Kammern eines Verteilers zu stehen, wie etwa der Zuströmkammer 292 des Zuströmverteilers 290 und der Rückströmkammer 296 des Rückströmverteilers 294. Wie es genauer in den 6 und 7 beschrieben ist, stehen jeder der Mikrokanäle 406, der Kanäle 404 und der Kammern 292/296 in Fluidverbindung miteinander und sind dazu eingerichtet, eine kapillarähnliche Struktur zur Verteilung eines Stroms des Kühlmittels innerhalb der Flügelblattseitenwand 209 zu bilden. Das Flügelblatt 206 wird als beispielhafte Ausführungsform einer Turbomaschinenkomponente aufweisend Kühldurchgänge in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung verwendet. Alternativ kann irgendeine Turbomaschinenkomponente gekühlt werden und Verwendung von solchen internen Kühldurchgängen aufweisend, ohne Beschränkung, Turbinen- und Kompressorgehäuse, Endwände, Deckbänder, Leitflügel und Leitapparate.
5 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen vergrößerten Abschnitts des Flügelblatts 206 (in 3 gezeigt). Genauer ist 5 eine schematische Querschnittsansicht eines alternativen vergrößerten Abschnitts der Druckseitenwand 210 der Flügelblattseitenwand 209 entsprechend der Detailansicht A (in 3 gezeigt). Bei dem alternativen vergrößerten Abschnitt des Flügelblatts 206 sind Mikrokanäle 506 zumindest teilweise durch eine äußere Schicht 508 gebildet. Genauer sind die Mikrokanäle 506 durch eine erste maschinelle Bearbeitung der äußeren Oberfläche 280 der Flügelblattseitenwand 209 gebildet, um teilweise Mikrokanäle 506 zu bilden. Die äußere Schicht 508 wird dann über die teilweise gebildeten Mikrokanäle angeordnet und hier gesichert, wodurch die Bildung der Mikrokanäle 506 vervollständigt wird. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die äußere Schicht eine vorgesinterte Vorform („PSP“). In solchen Ausführungsbeispielen wird die PSP zunächst unter Verwendung von irgendeinem geeigneten Verfahren geformt, um über die teilweise gebildeten Mikrokanäle zu passen. Nachdem sie geformt ist, wird die PSP im Wesentlichen daneben über die teilweise gebildeten Mikrokanäle angeordnet und mit der Flügelblattseitenwand 209 verbunden, z.B. durch ein Lötverfahren.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen von Turbomaschinenkomponenten entsprechend dieser Offenbarung, werden die Mikrokanäle, wie etwa die Mikrokanäle 506, zumindest teilweise durch andere Techniken als das maschinelle Bearbeiten und das Anwenden einer PSP gebildet. Bei bestimmten alternativen Ausführungsbeispielen werden die Mikrokanäle zum Beispiel während des Gießens einer Turbomaschinenkomponentenseitenwand gebildet. Bei anderen alternativen Ausführungsbeispielen werden die Mikrokanäle durch ein additives Herstellen der Turbomaschinenkomponentenseitenwand gebildet. Wie es hierin verwendet wird, bezieht sich „additives Herstellen“ auf irgendein Verfahren, das zu einem dreidimensionalen Objekt führt und einen Schritt von sequentiellem Ausbilden der Gestalt des Objekts mit einer Schicht nach der anderen umfasst. Additive Herstellungsverfahren enthalten zum Beispiel dreidimensionales Drucken, Laser-Endgestalt-Herstellen, direktes Metalllasersintern (DMLS), direktes Metalllaserschmelzen (DMLM), selektives Lasersintern (SLS), Lichtbogenplasmaherstellung, Freiformherstellung, und dergleichen. Eine beispielhafte des additiven Herstellungsverfahrens verwendet einen Laserstrahl, um ein Pulvermaterial zu Sintern oder zu Schmelzen. Additive Herstellungsverfahren können Pulvermaterialien oder Draht als Ausgangsmaterial verwenden. Außerdem können sich additive Herstellungsverfahren allgemein auf eine schnelle Art beziehen, um ein Objekt (Artikel, Komponente, Teil, Produkt, etc.) herzustellen, bei der eine Mehrzahl von dünnen Schichten einer Einheit sequentiell gebildet werden, um das Objekt herzustellen. Zum Beispiel können Schichten eines Pulvermaterials bereitgestellt werden (z.B. abgelegt werden) und mit einem Energiestrahl (z.B. Laserstrahl) bestrahlt werden, so dass die Partikel des Pulvermaterials innerhalb jeder Schicht sequentiell gesintert (verbunden) oder geschmolzen werden, um die Schicht zu festigen.
6 und 7 stellen isometrische Ansichten von Kühldurchgängen eines beispielhaften Abschnitts einer Turbomaschinenkomponentenseitenwand dar. Zur Klarheit und zur Vereinfachung der Erläuterung der 6 und 7 wurden unterschiedliche Füllmuster auf gleiche Komponenten angewandt.
6 und 7 sind jeweils eine erste und eine zweite isometrische Ansicht eines beispielhaften Seitenwandabschnitts 600 einer Turbomaschinenkomponente (hierin auch bezeichnet als „Komponentenseitenwandabschnitt 600“). Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist der Komponentenseitenwandabschnitt 600 ein Abschnitt einer Flügelblattseitenwand, wie etwa der Flügelblattseitenwand 209 (in 3 gezeigt). Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Komponentenseitenwandabschnitt 600 repräsentativ für eine größere Komponentenseitenwand, aufweisend ein größeres Netzwerk von Kühldurchgängen und kann einem oder mehreren Abschnitten der Turbomaschinenkomponente entsprechen. Zum Beispiel kann der Komponentenseitenwandabschnitt 600 bei Ausführungsbeispielen, bei denen der Komponentenseitenwandabschnitt 600 einem Abschnitt einer Flügelblattseitenwand entspricht, wie etwa der Flügelblattseitenwand 209 (in 3 gezeigt) irgendeinem Abschnitt der Flügelblattseitenwand entsprechen, aufweisend eine Druckseitenwand und/oder eine Saugseitenwand und/oder eine Vorderkante und/oder eine Hinterkante, wie etwa die Druckseitenwand 210 bzw. die Saugseitenwand 212 bzw. die Vorderkante 220 bzw. die Hinterkante 222 (jeweils in 3 gezeigt).
Der Komponentenseitenwandabschnitt 600 enthält eine Turbomaschinenkomponentenseitenwand 650 (hierin auch als „Komponentenseitenwand 650“ bezeichnet), die Mikrokanäle 606 bildet. Die Mikrokanäle 606 sind allgemein benachbart zu einer äußeren Oberfläche 652 angeordnet. Die Komponentenseitenwand 650 enthält außerdem Kanäle 612/613, die zwischen einer inneren Oberfläche 654 und einer äußeren Oberfläche 652 angeordnet sind. Der Komponentenseitenwandabschnitt 600 enthält auch einen Zuströmverteiler 608 aufweisend Zuströmkammern 609A–C und einen Rückströmverteiler 610 aufweisend Rückströmkammern 611A–C. Die Komponentenseitenwand 650 enthält außerdem Kanäle 612/613 zwischen der inneren Oberfläche 654 und der äußeren Oberfläche 652.
Bei der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Mikrokanäle 606 entlang einer radialen Länge 616 (in 7 gezeigt) in einer Radialrichtung 717. Jede der Zuströmkammern 609A–C und Rückströmkammern 611A–C erstreckt sich entlang einer longitudinalen Länge 623 (in 7 gezeigt) in einer Längsrichtung 723. Die Komponentenseitenwand 209 enthält auch Zuströmkanäle 612A–K und Rückströmkanäle 613A–K. Jeder der Zuströmkanäle 612A–K und Rückströmkanäle 613A–K erstreckt sich entlang einer jeweiligen Schräglänge, die in einer Schrägrichtung 727 definiert ist, die relativ zu der Radialrichtung 717 und der Längsrichtung 723 schräg ist.
Während des Betriebs wird dem Zuströmverteiler 608 ein Strom eines Kühlmittels bereitgestellt und zwischen jeder der Zuströmkammern 609A–C verteilt. Die Kühlmittelströmung gelangt von den Zuströmkammern 609A–C zu den Zuströmkanäle 612A–K. Von den Zuströmkanäle 612A–K wird der Kühlmittelstrom zu den Mikrokanälen 606 abgegeben. Während der Kühlmittelstrom durch die Zuströmkanäle 612A–K und die Mikrokanäle 606 hindurchströmt, tauscht der Kühlmittelstrom Wärme mit der Komponentenseitenwand 650 aus. Der Kühlmittelstrom, der durch den Wärmetausch erwärmt ist, wird dann von den Mikrokanälen 606 wiedergewonnen, durch Zurückführen des Kühlmittelstroms zum Rückströmverteiler 610 mittels der Rückströmkanäle 613A–K und der Rückströmkammern 611A–C. Von dem Rückströmverteiler 610 wird der erwärmte Kühlmittelstrom allgemein aus der Komponentenseitenwand 650 in ein Kühlmittelrückführsystem (nicht gezeigt) geleitet. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen, bei denen die Turbomaschinenkomponente ein Flügelblatt ist, wird der erwärmte Kühlmittelstrom in ein internes Flügelblattvolumen geleitet, wie etwa das interne Flügelblattvolumen 284 (in 3 gezeigt) und tritt durch Fluiddurchgänge in einem Abschnitt der Turbomaschinenkomponente aus, wie dem Hinterkantenabschnitt 300 des Flügelblatts 206 (beide in 3 gezeigt).
Mikrokanäle 606 sind allgemein in sich radial erstreckenden Mikrokanalreihen angeordnet, wie etwa der Mikrokanalreihe 620 (in 6 gezeigt). Bei der beispielhaften Ausführungsform sind benachbarte Mikrokanäle, in einer gegebenen Mikrokanalreihe dazu eingerichtet, einen Teil des Kühlmittelstroms in entgegengesetzte Richtungen relativ zueinander zu leiten. Zum Beispiel strömt der Strom des Kühlmittels durch einen ersten Mikrokanal 606A in einer ersten Richtung 626A und durch einen zweiten Mikrokanal 606B, der benachbart zum ersten Mikrokanal 606A innerhalb der Mikrokanalreihe 620 angeordnet ist, in eine zweite Richtung 626B entgegengesetzt zur ersten Richtung 626A (alles in 6 gezeigt).
Bei der beispielhaften Ausführungsform wird die Gegenströmung in benachbarten Mikrokanälen innerhalb bestimmter Mikrokanalreihen, wie etwa der Mikrokanalreihe 620, zum Teil durch das Anordnen der Zuströmkammern 609A–C, der Rückströmkammern 611A–C, der Zuströmkanäle 612A–K und der Rückströmkanäle 613A–K erreicht. Zum Beispiel sind die Zuströmkammern 609A–C bei der beispielhaften Ausführungsform verzahnt mit den Rückströmkammern 611A–C und die Zuströmkanäle 612A–K sind mit den Rückströmkanälen 613A–C verzahnt angeordnet. Eine solche Anordnung erleichtert es, benachbarten Mikrokanälen frisches Kühlmittel von unterschiedlichen Zuströmkanälen zu erhalten oder erwärmtes Kühlmittel an unterschiedliche Rückströmkanäle abzugeben. Zum Beispiel ist der erste Mikrokanal 606A dazu eingerichtet, einen Teil des Kühlmittelstroms von dem Zuströmkanal 612A aufzunehmen, während der zweite Mikrokanal 606B dazu eingerichtet ist, einen Teil des Kühlmittelstroms von dem Zuströmkanal 612B aufzunehmen. Jedoch sind sowohl der erste Mikrokanal 606A und der zweite Mikrokanal 606B dazu eingerichtet, erwärmte Teile des Kühlmittelstroms an den Rückströmkanal 613A zurückzugeben.
Bei der beispielhaften Ausführungsform hat jede Art von internem Kühldurchgang eine konsistente Querschnittsfläche. Zum Beispiel hat jede Zuströmkammer 609A–C und jede Rückströmkammer 611A–C dieselbe Querschnittsfläche. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können individuelle Kammern, Kanäle und Mikrokanäle in einer oder mehreren Dimensionen von anderen Kammern bzw. Kanälen bzw. Mikrokanälen variieren. Zum Beispiel haben bei einem alternativen Ausführungsbeispiel Mikrokanäle, die in einem ersten Abschnitt einer Komponentenseitenwand angeordnet ist, der anfällig ist für hohe Gastemperaturen, einen größeren Durchmesser als Mikrokanäle in einem zweiten Abschnitt der Komponentenseitenwand, in dem die Gastemperaturen geringer sind, wodurch eine erhöhte Kühlmittelströmung in dem ersten Seitenwandabschnitt ermöglicht ist.
Mikrokanäle, Kanäle und Kammern in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung sind weder auf bestimmte Querschnittsformen beschränkt, noch sind individuelle Mikrokanäle, Kanäle und Kammern auf eine einzige Querschnittsform beschränkt. Zum Beispiel können Mikrokanäle, Kanäle und Kammern in Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungsbeispielen Querschnittsformen haben, die ohne Beschränkung kreisförmig und/oder halbkreisförmig, quadratisch, rechteckförmig, trapezförmig sind oder irgendeine andere geeignete Form haben.
Die Längen von individuellen Kammern, Kanälen und Mikrokanälen von Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung können variieren. Zum Beispiel können bei bestimmten alternativen Ausführungsformen Mikrokanäle in einem ersten Abschnitt einer Seitenwand einer Turbomaschinenkomponente, der anfällig ist für hohe Gastemperaturen, kürzer und dichter angeordnet sein als Mikrokanäle in einem zweiten Abschnitt der Seitenwand, in dem die Gastemperaturen niedriger sind. Dementsprechend ist die Rate, mit der Kühlmittel innerhalb der kürzeren, dichter angeordneten Mikrokanäle ausgetauscht wird, erhöht, was eine erhöhte Kühlung des ersten Seitenwandabschnitts vereinfacht. Gleichermaßen sind Kammern, Kanäle und Mikrokanäle in Ausführungsbeispielen dieser Offenbarung nicht beschränkt darauf einem im Wesentlichen geradlinigen Pfad zu folgen, wie in der beispielhaften Ausführungsform. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können Kammern, Kanäle und Mikrokanäle wenigstens einen oder mehrere Abschnitte haben, von denen jeder einem unterschiedlichen Pfad folgen kann. Geeignete Pfade können ohne Beschränkung aufweisen, geradlinige Pfade, gekrümmte Pfade und gewinkelte Pfade. Bei einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel können Kammern, Kanäle und Mikrokanäle ausgerichtet sein, um im Wesentlichen mit einer oder mehreren Oberflächen einer Turbomaschinenkomponente übereinzustimmen.
Die Ausrichtung von Kammern, Kanälen und Mikrokanälen, die in den 6 und 7 gezeigt ist, entspricht der beispielhaften Ausführungsform. Alternativ kann irgendeine geeignete Ausrichtung der Kammern, Kanäle und Mikrokanäle verwendet werden, um die Kühlung einer Turbomaschinenkomponente in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung bereitzustellen. Zum Beispiel erstrecken sich die Kammern bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie etwa die Kammern 609A–C und 611A–C (in den 6 und 7 gezeigt) in einer im Wesentlichen radialen Richtung, wie etwa der Radialrichtung 717 (in den 6 und 7 gezeigt) und Mikrokanäle, wie etwa Mikrokanäle 606 (in den 6 und 7 gezeigt) erstrecken sich in einer im Wesentlichen longitudinalen Richtung, wie etwa der Längsrichtung 723 (in den 6 und 7 gezeigt).
8 ist eine Querschnittsansicht eines Hinterkantenabschnitts 300 des Flügelblatts 206 (in 3 gezeigt). Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Hinterkante 222 eine zweite Gruppe von Mikrokanälen 802, aufweisend einen Hinterkantenmikrokanal 802A, bilden, die dazu eingerichtet ist, die Fluidverbindung zwischen dem internen Flügelblattvolumen 284 und der Umgebung außerhalb des Flügelblatts 206 zu vereinfachen. Zum Beispiel kann während des Betriebs Kühlmittelfluid durch Fluiddurchgänge, wie etwa dem Fluiddurchgang 806, der durch den Rückströmverteiler 294 gebildet ist, bereitgestellt werden, so dass wenn ein Strom des Kühlmittels in den Rückströmverteiler 294 gelangt, zumindest ein Teil des Stroms des Fluids durch den Fluiddurchgang 806 in das interne Flügelblattvolumen 284 gelangt. Jeder Mikrokanal der zweiten Gruppe von Mikrokanälen erstreckt sich allgemein durch die Hinterkante 222 von dem internen Flügelblattvolumen 284 zu der äußeren Umgebung. Bei der beispielhaften Ausführungsform nach 8, erstreckt sich jeder Mikrokanal der zweiten Gruppe von Mikrokanälen entlang einer longitudinalen Länge 804, die in Längsrichtung 223 gebildet ist.
Das vorstehend beschriebene System stellt einen effizienten Ansatz zum Abführen von Wärme und Kühlen von Turbomaschinenkomponenten bereit. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Turbomaschinenkomponente ein Flügelblatt einer Gasturbine. Das Flügelblatt enthält eine Flügelblattseitenwand, die außerdem eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche entgegengesetzt zu der inneren Oberfläche aufweist. Die Flügelblattseitenwand bildet eine Mehrzahl von Zuströmkanälen und eine Mehrzahl von Rückströmkanälen und enthält außerdem einen Zuströmverteiler benachbart zu der inneren Oberfläche. Der Zuströmverteiler ist dazu eingerichtet, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen und bildet eine Mehrzahl von Zuströmkammern, die in Fluidverbindung mit der Mehrzahl von Zuströmkanälen stehen. Die Flügelblattseitenwand enthält auch einen Rückströmverteiler, der eine Mehrzahl von Rückströmkammern bildet, die in Fluidverbindung mit den Rückströmkanälen stehen. Die Flügelblattseitenwand bildet auch eine Mehrzahl von Mikrokanälen benachbart zu der äußeren Oberfläche, wobei jeder Mikrokanal von der Mehrzahl von Mikrokanälen in Fluidverbindung mit einem Zuströmkanal und einem Rückströmkanal steht. Während des Betriebs wird die Kühlung durch das Bereitstellen eines Stroms eines Kühlmittels zu jedem von der Mehrzahl von Mikrokanälen erreicht. Genauer wird ein Strom eines Kühlmittels für den Zuströmverteiler bereitgestellt und mittels der Zuströmkammern und Zuströmkanäle in jedem Mikrokanal geleitet. Der Strom des Kühlmittels wird dann von den Mikrokanälen mittels der Rückströmkanäle und der Rückströmkammern zu dem Rückströmverteiler zurückgeführt. Ein Flügelblatt wird als beispielhafte Ausführungsform einer Turbomaschinenkomponente verwendet, aufweisend ein Kühlsystem entsprechend dieser Offenbarung. Alternativ kann irgendeine Turbomaschinenkomponente unter Verwendung eines solchen Kühlsystems gekühlt werden, aufweisend ohne Beschränkung Turbinen- und Kompressorgehäuse, Endwände, Deckbänder, Leitflügel und Leitapparate.
Ein beispielhafter technischer Effekt des hierin beschriebenen Systems und der hierin beschriebenen Verfahren enthält zumindest einen der folgenden: (a) Abführen von Wärme von einer Turbomaschinenkomponente, die ein Flügelblatt aufweist; (b) Verbessern der Wärmeabfuhr in Hochtemperaturabschnitten des Flügelblatts, die anfällig sind für hohe Temperaturen durch das Vereinfachen der Anordnung von Mikrokanälen in den Hochtemperaturabschnitten; (c) Reduzieren der erzeugten Temperaturgradienten durch das Vereinfachen einer schnellen Wiedergewinnung von erwärmtem Kühlmittelfluid von den Mikrokanälen; (d) Reduzieren des Gesamtvolumens des erforderlichen Kühlmittels, um Wärme von dem Flügelblatt abzuführen durch das effiziente Verteilen des Kühlmittels innerhalb der Flügelblattseitenwand; und (e) Erhöhen der Gesamteffizienz der Turbomaschine.
Beispielhafte Ausführungsformen eines Systems zur Kühlung von Turbomaschinenkomponenten sind vorstehend detailliert erläutert. Das System ist nicht auf die hierin beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr können Komponenten von Systemen unabhängig und separat von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden. Zum Beispiel kann das System auch in Kombination mit anderen Turbinenkomponenten verwendet werden und ist nicht beschränkt auf die Verwendung nur mit den Gasturbinen-Flügelblättern, wie es hier beschrieben ist. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Gasturbinenanwendungen implementiert und verwendet werden.
Obwohl besondere Merkmale und verschiedene Ausführungseispiele der vorliegenden Offenbarung in einigen Zeichnungen und nicht in anderen gezeigt sein können, ist dies nur zum Zwecke der Klarheit. In Übereinstimmung mit den Prinzipien der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung kann irgendein Merkmal einer Zeichnung in Bezug genommen und/oder beansprucht werden in Kombination mit irgendeinem Merkmal von irgendeiner anderen Zeichnung.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu offenbaren, einschl. des bevorzugten Ausführungsbeispiels, und auch um irgendeinen Fachmann auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung auszuführen, einschl. des Herstellens und des Verwendens irgendwelcher Einrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher beinhalteter Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich von hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind dazu bestimmt, innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche zu sein, wenn sie strukturelle Elemente haben, die nicht von dem Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substantiellen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
Bezugszeichenliste

100: Turbine
102: Lufteinlassabschnitt
104: Kompressorabschnitt
106: Brennkammerabschnitt
108: Turbinenabschnitt
110: Auslassabschnitt
112: Rotoranordnung
114: Einlassluft
116: komprimierte Luft
118: Verbrennungsgase
120: Längsachse
122: Abgase
200: erste Turbinenstufe
202: Statorleitflügel
204: Turbinenschaufel
206: Statorleitflügel-Flügelblatt
208: Turbinengehäuse
209: Flügelblattseitenwand
210: Druckseitenwand
212: Saugseitenwand
214: Wurzel
216: Spitze
217: Radialrichtung
218: radiale Länge
220: Vorderkante
222: Hinterkante
223: Längsrichtung
224: Flügelblatt
225: Wärmedämmschicht
226: Scheibe
228: Heißgasströmungspfad
230: Kühlsystem
232: Kühlzufuhrdurchgang
234: Kühldurchgang
236: Kühlmittelfluid
280: äußere Oberfläche
282: innere Oberfläche
284: internes Flügelblattvolumen
290: Zuströmverteiler
292: Zuströmkammer
294: Rückströmverteiler
296: Rückströmkammer
300: Hinterkantenabschnitt
304: Dicke
306: äußere Oberfläche
308: innere Oberfläche
310: Dicke
312: äußere Oberfläche
314: innere Oberfläche
404: Kanäle
406: Mikrokanäle
506: Mikrokanäle
508: äußere Schicht
600: Turbomaschinenkomponentenseitenwandabschnitt
606: Mikrokanäle
608: Zuströmverteiler
609: Zuströmkammer
610: Rückströmverteiler
611: Rückströmkammer
612: Zuströmkanäle
613: Rückströmkanäle
616: radiale Länge
620: Mikrokanalreihe
623: longitudinale Länge
650: Komponentenseitenwand
652: äußere Oberfläche
654: innere Oberfläche
717: Radialrichtung
723: Längsrichtung
727: Schrägrichtung
802: Mikrokanäle
804: longitudinale Länge
806: Fluiddurchgang

Claims

Turbomaschinenkomponente (206) aufweisend: einen Zuströmverteiler (608), der dazu eingerichtet ist, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen, wobei der Zuströmverteiler eine Mehrzahl von Zuströmkammern (609) aufweist; einen Rückströmverteiler (610) aufweisend eine Mehrzahl von Rückströmkammern (611); und eine Seitenwand (600), die eine Mehrzahl von Zuströmkanälen (612) und eine Mehrzahl von Rückströmkanälen (613) darin bildet, wobei die Seitenwand aufweist: eine innere Oberfläche (654); und eine äußere Oberfläche (652) entgegengesetzt zur inneren Oberfläche; wobei jeder Zuströmkanal von der Mehrzahl von Zuströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern steht, wobei jeder Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern steht, und wobei die Seitenwand zumindest teilweise eine erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) benachbart zu der äußeren Oberfläche bildet, wobei jeder Mikrokanal der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen in Fluidverbindung mit einem jeweiligen Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen und einem jeweiligen Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht.
Turbomaschinenkomponente (206) nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche (652) wenigstens eine vorgesinterte Vorform (508) aufweist, die zumindest teilweise einen Abschnitt der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen (606) bildet.
Turbomaschinenkomponente (206) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Turbomaschinenkomponente ein Flügelblatt (206) ist, wobei das Flügelblatt eine Vorderkante (220) und eine Hinterkante (222) entgegengesetzt zur Vorderkante bildet, wobei die Vorderkante und die Hinterkante eine Längsrichtung definieren, wobei das Flügelblatt außerdem aufweist: einen Wurzelabschnitt (214); und einen Spitzenabschnitt (216) entgegengesetzt zum Wurzelabschnitt, wobei der Wurzelabschnitt und der Spitzenabschnitt eine Radialrichtung (717) definieren, wobei sich jeder Mikrokanal (606) entlang einer jeweiligen radialen Länge (617) erstreckt, die in die Radialrichtung gebildet ist, wobei die zumindest eine Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern (609) und die zumindest eine Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern (611) sich entlang einer jeweiligen longitudinalen Länge (623) erstreckt, die in Längsrichtung (723) definiert ist, und wobei jeder Zuströmkanal (612) und jeder Rückströmkanal (612) sich entlang einer jeweiligen Schräglänge erstreckt, die in einer Schrägrichtung (727) definiert ist, wobei die Schrägrichtung relativ zu der Radialrichtung und der Längsrichtung schräg ist.
Turbomaschinenkomponente (206) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbomaschinenkomponente ein Flügelblatt (206) ist, aufweisend: einen Wurzelabschnitt (214); und einen Spitzenabschnitt (216) entgegengesetzt zum Wurzelabschnitt, wobei der Wurzelabschnitt und der Spitzenabschnitt eine Radialrichtung (217) definieren, wobei die erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) in wenigstens einer Mikrokanalreihe (620) angeordnet ist, die sich entlang einer radialen Länge (617), die in Radialrichtung (717) definiert ist, erstreckt, wobei jede Mikrokanalreihe der wenigstens einen Mikrokanalreihe aufweist: wenigstens einen ersten Mikrokanal, der dazu eingerichtet ist, einen Strom von Kühlmittel darin in eine erste Richtung zu leiten, die entlang der radialen Länge definiert ist; und wenigstens einen zweiten Mikrokanal, der dazu eingerichtet ist, einen Strom von Kühlmittel darin in eine zweite Richtung zu leiten, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, wobei der wenigstens eine erste Mikrokanal abwechselnd mit wenigstens einem zweiten Mikrokanal entlang der Mikrokanalreihe angeordnet ist.
Turbomaschinenkomponente (206) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbomaschinenkomponente ein Flügelblatt (206) ist, wobei das Flügelblatt bildet: ein inneres Flügelblattvolumen (284), das in Fluidverbindung mit dem Rückströmverteiler (610) steht; eine Vorderkante (220); eine Hinterkante (222) entgegengesetzt zur Vorderkante; und eine zweite Mehrzahl von Mikrokanälen (802), die in Fluidverbindung mit dem inneren Flügelblattvolumen steht, wobei jeder Mikrokanal der zweiten Mehrzahl von Mikrokanälen sich durch die Hinterkante erstreckt.
Turbomaschinenkomponente (206) nach Anspruch 5, wobei die Vorderkante (220) und die Hinterkante (222) eine Längsrichtung (223) definieren und jeder Mikrokanal der zweiten Mehrzahl von Mikrokanälen (802) sich entlang einer jeweiligen longitudinalen Länge (804) erstreckt, die in der Längsrichtung gebildet ist.
Turbomaschinenkomponente (206) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Zuströmkammern (609) verzahnt angeordnet ist mit der Mehrzahl von Rückströmkammern (611) und die Mehrzahl von Zuströmkanälen (612) verzahnt angeordnet ist mit der Mehrzahl von Rückströmkanälen (613).
Turbomaschinenkomponente (206) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) eine Breite zwischen und einschließlich von ungefähr 100 Mikrometern (µm) und ungefähr 3 Millimetern (mm) und eine Tiefe zwischen und einschließlich von ungefähr 100 µm und ungefähr 3 mm hat.
System (230) zum Abführen von Wärme von einer Turbomaschinenkomponente (206), wobei die Turbomaschinenkomponente eine Seitenwand (600) aufweisend eine innere Oberfläche (654) und eine äußere Oberfläche (652) entgegengesetzt zur inneren Oberfläche, einen Zuströmverteiler (608), der dazu eingerichtet ist, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen, wobei der Zuströmverteiler eine Mehrzahl von Zuströmkammern enthält, und einen Rückströmverteiler (610) aufweisend eine Mehrzahl von Rückströmkammern aufweist, wobei das System aufweist: eine Mehrzahl von Zuströmkanälen (612), die durch die Seitenwand gebildet sind; eine Mehrzahl von Rückströmkanälen (613), die durch die Seitenwand gebildet sind; wobei jeder Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern steht, wobei jeder Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern steht, und wobei die Seitenwand zumindest teilweise eine erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) benachbart zur äußeren Oberfläche bildet, wobei jeder Mikrokanal der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen in Fluidverbindung mit einem jeweiligen Zuströmkanal der Mehrzahl von Zuströmkanälen und einem jeweiligen Rückströmkanal der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht.
System (230) nach Anspruch 9, außerdem aufweisend wenigstens eine vorgesinterte Vorform (508), die zumindest teilweise einen Abschnitt der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen (606) bildet.
System (230) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Turbomaschinenkomponente (206) ein Flügelblatt (206) ist, wobei das Flügelblatt eine Vorderkante (220) und eine Hinterkante (222) entgegengesetzt zur Vorderkante bildet, wobei die Vorderkante und die Hinterkante eine Längsrichtung (223) definieren, und wobei das Flügelblatt außerdem einen Wurzelabschnitt (214) und einen Spitzenabschnitt (216) entgegengesetzt zum Wurzelabschnitt aufweist, wobei der Wurzelabschnitt und der Spitzenabschnitt eine Radialrichtung (717) definieren, wobei sich jeder Mikrokanal (606) entlang einer jeweiligen radialen Länge (617) erstreckt, die in die Radialrichtung gebildet ist, wobei die wenigstens eine Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern (609) und die wenigstens eine Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern (611) sich entlang einer jeweiligen longitudinalen Länge (623) erstreckt, die in der Längsrichtung (723) gebildet ist, und wobei sich jeder Zuströmkanal (612) und jeder Rückströmkanal (613) entlang einer jeweiligen Schräglänge erstreckt, die in einer Schrägrichtung (727) gebildet ist, wobei die Schrägrichtung relativ zu der Radialrichtung und der Längsrichtung schräg ist.
System (230) nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Turbomaschinenkomponente (206) ein Flügelblatt (206) ist, wobei das Flügelblatt einen Wurzelabschnitt (214) und einen Spitzenabschnitt (216) entgegengesetzt zum Wurzelabschnitt aufweist, wobei der Wurzelabschnitt und der Spitzenabschnitt eine Radialrichtung (717) definieren, wobei die erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) in wenigstens einer Mikrokanalreihe (620) angeordnet ist, die sich entlang einer radialen Länge (617) erstreckt, die in die Radialrichtung (717) gebildet ist, wobei jede Mikrokanalreihe der einen oder mehreren Mikrokanalreihen aufweist: wenigstens einen ersten Mikrokanal, der dazu eingerichtet ist, einen Strom von Kühlmittel darin in eine erste Richtung zu leiten, die entlang der radialen Länge gebildet ist; und wenigstens einen zweiten Mikrokanal, der dazu eingerichtet ist, einen Strom von Kühlmittel darin in eine zweite Richtung zu leiten, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung ist, wobei der wenigstens eine erste Mikrokanal abwechselnd mit dem wenigstens einen zweiten Mikrokanal entlang jeder Mikrokanalreihe angeordnet ist.
System (230) nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Turbomaschinenkomponente (206) ein Flügelblatt (206) ist und die Seitenwand (600) außerdem ein inneres Flügelblattvolumen (284), das in Fluidverbindung mit dem Rückströmverteiler (610) steht, eine Vorderkante (220) und eine Hinterkante (222) entgegengesetzt zur Vorderkante bildet, wobei das System außerdem eine zweite Mehrzahl von Mikrokanälen (802) aufweist, die in Fluidverbindung mit dem inneren Flügelblattvolumen steht, wobei jeder Mikrokanal der zweiten Mehrzahl von Mikrokanälen sich durch die Hinterkante erstreckt.
System (230) nach Anspruch 13, wobei die Vorderkante (220) und die Hinterkante (222) eine Längsrichtung (223) definieren und wobei jeder Mikrokanal der zweiten Mehrzahl von Mikrokanälen (802) sich entlang einer jeweiligen longitudinalen Länge (804) erstreckt, die in der Längsrichtung gebildet ist.
System (230) nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Mehrzahl von Zuströmkammern (609) verzahnt angeordnet ist mit der Mehrzahl von Rückströmkammern (611) und die Mehrzahl von Zuströmkanälen (612) verzahnt angeordnet ist mit der Mehrzahl von Rückströmkanälen (613).
Turbomaschine (100) aufweisend: einen Kompressor (104); eine Turbine (108), die mit dem Kompressor rotationsverbunden ist; eine Brennkammer (106), die in Strömungsverbindung mit dem Kompressor (104) und der Turbine (108) verbunden ist; und wenigstens eine Turbomaschinenkomponente (206), die mit der Turbine (108) verbunden ist, wobei die wenigstens eine Turbomaschinenkomponente (206) aufweist: einen Zuströmverteiler (608), der dazu eingerichtet ist, einen Kühlmittelstrom darin aufzunehmen, wobei der Zuströmverteiler eine Mehrzahl von Zuströmkammern (609) bildet; einen Rückströmverteiler (610), der eine Mehrzahl von Rückströmkammern (611) bildet; und eine Seitenwand (600), die eine Mehrzahl von Zuströmkanälen (612) und eine Mehrzahl von Rückströmkanälen (613) darin bildet, wobei die Seitenwand (600) aufweist: eine innere Oberfläche (654); und eine äußere Oberfläche (652) entgegengesetzt zur inneren Oberfläche; wobei jeder Zuströmkanal (612) der Mehrzahl von Zuströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Zuströmkammer (609) der Mehrzahl von Zuströmkammern steht, wobei jeder Rückströmkanal (613) der Mehrzahl von Rückströmkanälen in Fluidverbindung mit wenigstens einer Rückströmkammer (611) der Mehrzahl von Rückströmkammern steht, und wobei die Seitenwand (600) wenigstens teilweise eine erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) benachbart zu der äußeren Oberfläche (652) bildet, wobei jeder Mikrokanal (606) der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen in Fluidverbindung mit einem jeweiligen Zuströmkanal (612) der Mehrzahl von Zuströmkanälen und einem jeweiligen Rückströmkanal (613) der Mehrzahl von Rückströmkanälen steht.
Turbomaschine nach Anspruch 16, wobei die äußere Oberfläche (652) wenigstens eine vorgesinterte Vorform (508) aufweist, die einen Abschnitt der ersten Mehrzahl von Mikrokanälen (606) zumindest teilweise bildet.
Turbomaschine nach Anspruch 16 oder 17, wobei die wenigstens eine Turbomaschinenkomponente (206) ein Flügelblatt ist, wobei das Flügelblatt außerdem eine Vorderkante (220) und eine Hinterkante (222) entgegengesetzt zur Vorderkante (220) bildet, wobei die Vorderkante (220) und die Hinterkante (222) eine Längsrichtung definieren, wobei das Flügelblatt außerdem aufweist: einen Wurzelabschnitt (214); und einen Spitzenabschnitt (216) entgegengesetzt zum Wurzelabschnitt (214), wobei der Wurzelabschnitt (214) und der Spitzenabschnitt (216) eine Radialrichtung (717) definieren, wobei sich jeder Mikrokanal (606) entlang einer jeweiligen radialen Länge (617) erstreckt, die in der Radialrichtung gebildet ist, wobei die wenigstens eine Zuströmkammer der Mehrzahl von Zuströmkammern (609) und die wenigstens eine Rückströmkammer der Mehrzahl von Rückströmkammern (611) sich entlang einer jeweiligen longitudinalen Länge (623) erstreckt, die in der Längsrichtung (723) gebildet ist, und wobei jeder Zuströmkanal (612) und jeder Rückströmkanal (613) sich entlang einer jeweiligen Schräglänge erstreckt, die in einer Schrägrichtung (727) gebildet ist, wobei die Schrägrichtung (727) relativ zu der Radialrichtung und der Längsrichtung schräg ist.
Turbomaschine nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die wenigstens eine Turbomaschinenkomponente (206) ein Flügelblatt ist, wobei das Flügelblatt aufweist: einen Wurzelabschnitt (214); und einen Spitzenabschnitt (216) entgegengesetzt zum Wurzelabschnitt (214), wobei der Wurzelabschnitt (214) und der Spitzenabschnitt (216) eine Radialrichtung (717) definieren, wobei die erste Mehrzahl von Mikrokanälen (606) in wenigstens einer Mikrokanalreihe (620) angeordnet ist, die sich entlang einer radialen Länge (617) erstreckt, die in der Radialrichtung (717) gebildet ist, wobei jede Mikrokanalreihe (620) der wenigstens einen Mikrokanalreihe aufweist: wenigstens einen ersten Mikrokanal, der dazu eingerichtet ist, einen Strom von Kühlmittel darin in eine erste Richtung zu leiten, die entlang der radialen Länge definiert ist; und wenigstens einen zweiten Mikrokanal, der dazu eingerichtet ist, einen Strom von Kühlmittel darin in eine zweite Richtung zu leiten, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, wobei der wenigstens eine erste Mikrokanal entlang der Mikrokanalreihe abwechselnd angeordnet ist mit dem wenigstens einen zweiten Mikrokanal.
Turbomaschine nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Turbomaschinenkomponente (206) ein Flügelblatt (206) ist, wobei die Seitenwand außerdem ein inneres Flügelblattvolumen (284), das in Fluidverbindung mit dem Rückströmverteiler (610) steht, eine Vorderkante (220) und eine Hinterkante (222) entgegengesetzt zu der Vorderkante (220) bildet, wobei die Vorderkante (220) und die Hinterkante (222) eine Längsrichtung (223) definieren, wobei das wenigstens eine Flügelblatt außerdem eine zweite Mehrzahl von Mikrokanälen (802) aufweist, die in Fluidverbindung mit dem inneren Flügelblattvolumen (284) steht, wobei jeder Mikrokanal der zweiten Mehrzahl von Mikrokanälen (802) sich durch die Hinterkante (222) entlang einer jeweiligen longitudinalen Länge (804) erstreckt, die in die Längsrichtung (223) gebildet ist.