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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Einrichtungen, Verfahren
und/oder Systeme zur Verbesserung des Wirkungsgrads und/oder des
Betriebs von Turbinentriebwerken, die in dem hier verwendeten Sinn
Gasturbinentriebwerke, Luftfahrzeugturbinentriebwerke, Dampfturbinentriebwerke
und sonstige Arten von Rotationstriebwerken einschließen sollen.
Im Besonderen, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, betrifft die
vorliegende Erfindung Einrichtungen, Verfahren und/oder Systeme
in Zusammenhang mit Turbinenschaufelkühlöffnungen.
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Ein
Gasturbinentriebwerk enthält
gewöhnlich einen
Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und
die Turbine weisen im Allgemeinen Reihen von Schaufeln auf, die
in axialer Richtung in Stufen gestapelt sind. Jede Stufe enthält eine Reihe
von in Umfangsrichtung beabstandeten Statorschaufeln, die stationär sind,
und eine Reihe von um eine zentrale Achse oder Welle rotierenden
Rotorblättern.
Im Betrieb rotieren die Verdichterlaufradschaufeln im Allgemeinen
um die Welle, und verdichten in Zusammenwirken mit den Statorschaufeln
einen Luftstrom. Die zugeführte
verdichtete Luft wird anschließend
in der Brennkammer genutzt, um zugeführten Treibstoff zu verbrennen.
Anschließend
wird der sich aus der Verbrennung ergebende Strom heißer, sich
ausdehnender Gase, d. h. das Arbeitsfluid, durch den Turbinenabschnitt
des Triebwerks hindurch expandiert. Das durch die Turbine strömende Arbeitsfluid
versetzt die Rotorlaufschaufeln in Drehung. Die Rotorlaufschaufeln
sind mit einer zentralen Welle verbunden, so dass die Rotation der
Rotorflügel
die Welle drehend antreibt.
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Auf
diese Weise wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in die
mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die genutzt
werden kann, um beispielsweise die Rotorlaufschaufeln des Verdichters
zur Erzeugung des zur Verbrennung erforderlichen Vorrats verdichteter
Luft und die Spulen eines Generators zur Erzeugung elektrischen
Stroms drehend anzutreiben. Aufgrund der extremen Temperaturen des
Heißgaspfades,
der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und der Drehgeschwindigkeit
des Triebwerks sind Turbinenschaufeln, die, wie beschrieben, im
Allgemeinen sowohl die rotierenden Rotorlaufschaufeln als auch die
stationären,
in Umfangsrichtung beabstandeten Statorschaufeln umfassen, im Betrieb
in hohem Maße äußersten
mechanischen und thermischen Belastungen unterworfen.
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Die
immerfort wachsende Nachfrage nach Energie macht die Konstruktion
von Turbinentriebwerken mit höherem
Wirkungsgrad zu einem ständigen
und wichtigen Ziel. Während
mehrere Strategien zur Steigerung des Wirkungsgrads von Turbinentriebwerken
bekannt sind, bleibt dies eine herausfordernde Aufgabe, da diese
Alternativen, die beispielsweise eine Steigerung der Abmessung des
Triebwerks, eine Steigerung der in dem Heißgaspfad auftretenden Temperaturen
und eine Steigerung der Drehgeschwindigkeiten der Rotorflügel beinhalten, gewöhnlich die
Belastung von Komponenten erhöhen
und damit die, wie erwähnt,
bereits in hohem Maße
belasteten Turbinenschaufeln einer zusätzlichen Beanspruchung aussetzen.
Es besteht daher ein großer
Bedarf nach verbesserten Einrichtungen, Verfahren und/oder Systemen,
die betriebsbedingte Spannungen und/oder Temperaturen, denen Turbinenschaufeln
ausgesetzt sind, reduzieren oder es den Turbinenschaufeln ermöglichen,
diesen Belastungen besser standzuhalten.
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Wie
dem Fachmann klar, basiert eine Strategie zur Minderung der Belastung
der Schaufeln auf einer Kühlung
derselben, so dass die Temperaturen, denen die Schaufeln ausgesetzt
sind, geringer sind als diejenigen des Heißgaspfades. Beispielsweise kann
eine wirkungsvolle Kühlung
ermöglichen,
dass die Schaufeln, höheren
Verbrennungstemperaturen standhalten, größeren mechanischen Belastungen bei
hohen Betriebstemperaturen widerstehen, und/oder dass die Lebensdauer
von Komponenten des Schaufelblattes verlängert wird, was insgesamt eine
Senkung der Kosten des Turbinentriebwerks und eine Steigerung des
Wirkungsgrads in dessen Betrieb ermöglicht. Ein Weg, um Schaufelblätter während des
Betriebs zu kühlen,
basiert auf dem Einsatz innerer Kühlkanäle oder -kreisläufe. Im
Allgemeinen beinhaltet dies ein Leiten eines möglicherweise durch den Verdichter
des Turbinentriebwerks bereitgestellten, verhältnismäßig kühlen Stroms verdichteter Luft
durch in den Schaufelblättern
ausgebildete innere Kühlkreisläufe. Während die
verdichtete Luft die Schaufel durchströmt, kühlt sie die Schaufel konvektiv,
was der Komponente möglicherweise
erlaubt, Verbrennungstemperaturen standzuhalten, denen sie andernfalls
nicht widerstehen könnte.
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In
einigen Fällen,
wird die zugeführte
verdichtete Luft durch an der Oberfläche der Schaufeln ausgebildete
kleine Löcher
oder Öffnungen
hindurch freigegeben. Nachdem die Luft in dieser Weise freigegeben
ist, bildet sie an der Oberfläche
des Schaufelblattes eine dünne
Schicht bzw. einen Film verhältnismäßig kühler Luft,
der die Komponente kühlt
und von den höheren
Temperaturen isoliert, die diese umgeben. Diese Art der Kühlung wird üblicherweise
als ”Filmkühlung” bezeichnet.
Um die Schaufel angemessen zu kühlen,
sind gewöhnlich
zahlreiche Filmkühlöffnungen
erforderlich, die im Wesentlichen aus inneren Hohlräumen an
die Oberfläche
der Komponente führende
hohle Durchlasskanalpfade sind. Allerdings ist die Herstellung derartiger
Kühlöffnungen mittels
Verfahren aus dem Stand der Technik, wie dem Fachmann klar, verhältnismäßig zeitaufwändig. Von
noch größerer Bedeutung
ist, dass sich die einmal ausge bildeten Kühlöffnungen im Wesentlichen nicht
mehr modifizieren lassen. Nachdem die Geometrie und der Typ einer
Schaufel vorgegebenen ist, ist es darüber hinaus sehr schwierig,
komplizierte Kühlöffnungen
herzustellen, die bessere Kühlleistungen
hervorbringen könnten.
Es besteht daher ein Bedarf nach verbesserten Einrichtungen, Verfahren und/oder
Systemen in Zusammenhang mit einer effizienteren und kostengünstigeren
Herstellung von Turbinenkühlöffnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft somit eine Schaufelanordnung für ein Turbinentriebwerk,
zu der gehören
können:
eine Schaufel, die mindestens eine darin ausgebildete Paneelöffnung aufweist;
und ein Lochpaneel, das mindestens eine Kühlöffnung aufweist; wobei die
Paneelöffnung
und das Lochpaneel so konstruiert sind, dass nach dem Einbau des
Lochpaneels in die Paneelöffnung
eine im Wesentlichen ebenmäßige Außenfläche des
Schaufelblattes entsteht, und dass wenigstens eine der Kühlöffnungen des
Lochpaneels einen Auslasskanal bildet, der aus wenigstens einem
in dem Schaufelblatt vorhandenen hohlen Innenraum herausführt.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
kann eine Außenwand
des Schaufelblattes auf der äußersten Wand
des Schaufelblattes basieren, die den hohlen Innenraum des Schaufelblattes
umhüllt;
die Paneelöffnung
kann auf einem beseitigten Abschnitt einer Außenwand des Schaufelblattes
basieren; das Lochpaneel kann eine Form und Abmessung aufweisen, die
der Paneelöffnung
entspricht, so dass sich das Lochpaneel passgenau in die Paneelöffnung einfügt; die
Kühlöffnung kann
einen sich durch die Dicke des Lochpaneels hindurch erstreckenden
hohlen Durchlasskanalpfad beinhalten; und das Lochpaneel kann mindestens
mehrere Kühlöffnungen
aufweisen.
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Die
Querschnittsform der Kühlöffnung kann eine
Kreisform, eine elliptisch Form, eine rechteckige Gestalt und/oder
eine trapezförmige
Gestalt aufweisen; und das Lochpaneel und die Paneelöffnung können beide
eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt aufweisen. Das Lochpaneel
kann zwischen 20 und 50 Kühlöffnungen
aufweisen. Die Kühlöffnung kann sich
durch die Dicke des Lochpaneels hindurch unter einem geeigneten
Winkel erstrecken, so dass die Kühlöffnung nach
Einbau in der Paneelöffnung
in eine im Wesentlichen stromabwärts
verlaufende Richtung weist.
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Die
Paneelöffnung
und das Lochpaneel können
konusförmig
ausgebildet sein, so dass die konusförmige Fläche ein Lösen des Lochpaneels von der
Schaufel im Wesentlichen verhindert. Die konusförmige Fläche der Paneelöffnung kann
beinhalten, dass mindestens die Breite und/oder Länge des
Paneels an einer Innenfläche
einer Außenwand
größer ist
als an einer Außenfläche der
Außenwand.
Die Paneelöffnung
und das Lochpaneel können
konusförmig
ausgebildet sein, so dass die konusförmige Fläche es ermöglicht, das Lochpaneel von
der Außenseite
des Schaufelblattes her in eine gewünschten Einbauposition zu bringen.
Die konusförmige
Fläche der
Paneelöffnung
beinhaltet, dass mindestens die Breite und/oder die Länge des
Paneels an einer Innenfläche
einer Außenwand
kleiner ist als an einer Außenfläche der
Außenwand.
Der durch das Lochpaneel der Kühlöffnung gebildete
Pfad weist eine Ellbogenehre von zwischen 70–110 Grad auf.
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Diese
und weitere Ausstattungsmerkmale der vorliegenden Anmeldung erschließen sich
nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügten Patentansprüche.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden verständlicher
und klarer nach sorgfältigem
Lesen der folgenden ausführlicheren Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren:
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein exemplarisches Turbinentriebwerk,
in dem gewisse Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung genutzt werden können;
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2 zeigt
einen Schnitt des Verdichterabschnitts der Gasturbine nach 1;
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3 zeigt
einen Schnitt des Turbinenabschnitts der Gasturbine nach 1;
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4 veranschaulicht
anhand einer Querschnittsansicht einer Schaufel einen inneren Kühlkreislauf
und Filmkühlungslöcher gemäß Schaufeln nach
dem Stand der Technik.
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5 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht eine mit Kühlöffnungen ausgebildete exemplarische
Statorschaufel, die in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine genutzt
werden kann;
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6 zeigt
eine Draufsicht eines Lochpaneels, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
eine Seitenansicht des in 6 dargestellten
Lochpaneels;
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8 zeigt
eine Stirnansicht des in 6 dargestellten Lochpaneels;
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9 zeigt
eine Ansicht einer Oberfläche
einer Turbinentriebwerksschaufel mit Paneelöffnungen und mehreren nicht
eingebauten Lochpaneelen gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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10 zeigt
eine mit 9 übereinstimmende Ansicht, wobei
die mehreren Lochpaneele zweckentsprechend über den Paneelöffnungen
positioniert sind;
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11 zeigt
eine Schnittansicht der Außenwand
und des Lochpaneels einer Schaufel gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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12 zeigt
eine Schnittansicht der Außenwand
und des Lochpaneels einer Schaufel gemäß einem abgewandelten exemplarischen
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf die Figuren veranschaulicht 1 eine schematische
Darstellung einer Gasturbine 100. Im Allgemeinen arbeiten
Gasturbinentriebwerke, indem einem unter Druck gesetzten Strom heißen Gases
Energie entzogen wird, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs
in einem Strom verdichteter Luft erzeugt ist. Wie in 1 zu
sehen, kann zur Konstruktion des Gasturbinentriebwerks 100 ein
Axialverdichter 106, der über eine gemeinsame Welle oder
ein Laufrad mit einem stromabwärts angeordneten
Turbinenabschnitt bzw. einer Turbine 110 mechanisch verbunden
ist, und eine zwischen dem Verdichter 106 und der Turbine 110 angeordnete
Brennkammer 112 gehören.
Zu beachten ist, dass die im folgenden beschriebene Erfindung in
sämtliche
Arten von Turbinentriebwerken, beispielsweise in Gasturbinentriebwerken,
Dampfturbinentriebwerken, Flugzeugtriebwerken und dergleichen, genutzt werden
kann. Nachstehend wird die Erfindung mit Bezug auf ein Gasturbinentriebwerk
be schrieben. Diese Beschreibung ist lediglich exemplarisch und soll
keinesfalls beschränken.
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2 veranschaulicht
eine Ansicht eines exemplarischen, mehrere Stufen aufweisenden Axialverdichters 118,
der in einer Gasturbine genutzt werden kann. Wie gezeigt, kann der
Verdichter 118 mehrere Stufen umfassen. Jede Stufe kann
eine Reihe von Verdichterlaufradschaufeln 120 enthalten,
auf die eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 folgt.
Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von um eine zentrale Welle
rotierende Verdichterlaufradschaufeln 120 enthalten, auf
die eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 folgt,
die während
des Betriebs stationär
verbleiben. Die Verdichterstatorschaufeln 122 sind gewöhnlich voneinander
in Umfangsrichtung beabstandet und rund um die Drehachse stationär befestigt.
Die Verdichterlaufradschaufeln 120 sind in Umfangsrichtung
beabstandet und mit der Welle verbunden; wenn die Welle während des
Betriebs rotiert, rotieren die Verdichterlaufradschaufeln 120 um
diese. Wie dem Fachmann klar, sind die Verdichterlaufradschaufeln 120 dazu
eingerichtet, der durch den Verdichter 118 strömenden Luft bzw.
dem Arbeitsfluid kinetische Energie zu verleihen, wenn sie um die
Welle gedreht werden. Der Verdichter 118 kann über die
in 2 veranschaulichten Stufen hinaus viele weitere
Stufen aufweisen. Weitere Stufen können mehrere in Umfangsrichtung
verlaufende beabstandete Verdichterlaufradschaufeln 120 enthalten,
auf die mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Verdichterstatorschaufeln 122 folgen.
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3 veranschaulicht
eine partielle Ansicht eines exemplarischen Turbinenabschnitts bzw.
einer Turbine 124, die in der Gasturbine genutzt werden kann.
Die Turbine 124 kann ebenfalls mehrere Stufen aufweisen.
Drei exemplarische Stufen sind veranschaulicht, jedoch kann die
Anzahl von Stufen in der Turbine 124 größer oder kleiner sein. Eine
erste Stufe enthält
mehrere während
des Betriebs um die Welle rotierende Turbinen schaufeln oder Turbinenlaufschaufeln 126 und
eine Vielzahl von Leitapparat- oder Turbinenstatorschaufeln 128,
die während
des Betriebs stationär
verbleiben. Die Turbinenstatorschaufeln 128 sind gewöhnlich in
Umfangsrichtung voneinander beabstandet und rund um die Drehachse
befestigt. Die Turbinenlaufschaufeln 126 können an
einem (nicht gezeigten) Turbinenrad befestigt sein, um um die (nicht
gezeigte) Welle zu rotieren. Weiter ist eine zweite Stufe der Turbine 124 veranschaulicht.
Die zweite Stufe enthält
in ähnlicher
Weise mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenstatorschaufeln 128,
auf die mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenlaufschaufeln 126 folgen,
die ebenfalls an einem Turbinenrad drehfest angebracht sind. Eine
dritte Stufe ist veranschaulicht, die in ähnlicher Weise mehrere Turbinenstatorschaufeln 128 und
Rotorlaufschaufeln 126 enthält. Es ist einsichtig, dass
sich die Turbinenstatorschaufeln 128 und Turbinenlaufschaufeln 126 in
dem Heißgaspfad der
Turbine 124 befinden. Die Richtung eines Stroms der heißen Gase
durch den Heißgaspfad
ist durch den Pfeil angezeigt. Wie dem Fachmann klar, kann die Turbine 124 jenseits
der in 3 veranschaulichten Stufen viele weitere Stufen
aufweisen. Jede weitere Stufe kann eine Reihe von Turbinenstatorschaufeln 128 enthalten,
auf die eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln 126 folgt.
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Zu
beachten ist, dass sich in dem hier verwendeten Sinn der Begriff ”Rotorlaufschaufeln” ohne weitere
Spezifität
auf die rotierenden Laufschaufeln entweder des Verdichters 118 oder
der Turbine 124 bezieht und sowohl Verdichterlaufradschaufeln 120 als
auch Turbinenlaufschaufeln 126 beinhalten kann. Die Verwendung
des Begriffs ”Statorschaufeln” kann sich
ohne weitere Spezifität
auf die stationären
Laufschaufeln entweder des Verdichters 118 oder der Turbine 124 beziehen
und sowohl Verdichterstatorschaufeln 122 als auch Turbinenstatorschaufeln 128 beinhalten.
Der Begriff ”Schaufel” wird im
Vorliegenden mit Bezug auf beide Laufschaufelarten verwendet. Somit
umfasst der Begriff ”Schaufel” ohne weitere
Spezifität
jede Art von Turbinenschaufel, beispielsweise Verdichterlaufradschaufeln 120,
Verdichterstatorschaufeln 122, Turbinenlaufschaufeln 126 und Turbinenstatorschaufeln 128.
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Im
Betrieb kann die Rotation von Verdichterlaufradschaufeln 120 in
dem Axialverdichter 118 einen Luftstrom verdichten. Wenn
die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird, kann
in der Brennkammer 112 Energie freigegeben werden. Der
sich ergebende Strom heißer
Gase aus der Brennkammer 112 kann anschließend über die Turbinenlaufschaufeln 126 gelenkt
werden, was die Rotation der Turbinenlaufschaufeln 126 um
die Welle hervorrufen kann, so dass die Energie des Heißgasstroms
in die mechanische Energie der rotierenden Laufschaufeln und, aufgrund
der Verbindung zwischen den Rotorlaufschaufeln in der Welle, auch
der rotierenden Welle umgewandelt wird. Die mechanische Energie
der Welle kann dann genutzt werden, um die Rotation der Verdichterlaufradschaufeln 120 zu
bewirken, so dass die erforderliche Zufuhr verdichteter Luft erzeugt
wird, und um beispielsweise auch einen Generator für die Erzeugung
von Elektrizität
anzutreiben.
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4 veranschaulicht
einen Querschnitt einer Schaufel 210, die, wie weiter unten
näher erläutert, Filmkühlungslöcher oder
Kühlöffnungen
aufweist. Wie gezeigt, basiert jede Schaufel 210 auf einer
als Schaufelblatt ausgebildeten Konstruktion, die eine Nase oder
Anströmkante 212,
eine Druckseite oder -fläche 214,
eine Saugseite 216 und eine Abströmkante 218 aufweist.
Die Schaufel 210 ist im Wesentlichen hohl und durch eine
intermediäre
Trennwand 224 in zwei innere Kammern 220, 222 unterteilt.
Jede Kammer 220, 222 umhüllt einen hohlen Einsatz 226, 228,
der eine Konstruktion aufweist, die im Wesentlichen zu dem Innenumriss
der entsprechenden Kammer passt, jedoch davon beabstandet ist. Die
Einsätze 226, 228 weisen
an vorab ausgewählten
Stellen Einsatzöffnungen 230 auf.
Aus dem Turbi nenverdichter 106 stammende hochkomprimierte
Kühlluft
wird mittels herkömmlicher
Systeme und Verfahren in die Einsatzelemente 226, 228 gelenkt
und durch die Einsatzöffnungen 230 hindurch druckentlastet,
um Luftstrahlen zu bilden, die auf die Innenseite der Außenwände 231 auftreffen,
um (wie durch die Pfeile gezeigt) Aufprallkühlung hervorzurufen.
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Insbesondere
sind die Einsatzöffnungen 230 des
in der Anströmkantenkammer 220 angeordneten Einsatzes 226 mit
Blick auf einen Aufprall auf der dem Einsatzelement 226 gegenüberliegenden
Außenwand 231 angeordnet.
Die von dem Einsatzelement 226 her in die Anströmkantenkammer 220 gedrückte Kühlluft wird
durch radial beabstandete Reihen von Kühlöffnungen 232 hindurch
entlassen. Diese druckentlastete Kühlluft erzeugt eine benachbart zu
den Außenflächen des
Schaufelblattes angeordnete Schicht von Grenzschichtluft, um einen
unmittelbaren Kontakt des heißen
Fluids mit solchen Flächen zu
begrenzen, so dass eine Wärmeübertragung
von dem Arbeitsfluid auf die Schaufel verhindert wird. Die in der
Abströmkantenkammer 222 vorhandene
Kühlluft
wird daraus entweder über
Kühlöffnungen 232 oder
durch einen Schlitz bzw. eine Abströmkantenkühlöffnung 244 entlassen,
die sich ausgehend von der Abströmkantenkammer 222 zu
der Abströmkante 218 des
Schaufelblattes erstreckt.
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5 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht eine herkömmliche Turbinenstatorschaufel 300.
Eine Turbinenstatorschaufel 300 weist im Allgemeinen ein
Schaufelblattprofil 302 auf das zu beiden Seiten von Stirnwänden 304 flankiert
ist. Die Stirnwände 304 verbinden
die Turbinenstatorschaufel 300 mit dem Turbinengehäuse. Wie
gezeigt, weist die Turbinenstatorschaufel 300 mehrere Kühlöffnungen 306 auf.
Im Allgemeinen sind die Kühlöffnungen, wie
gezeigt, in Gruppen oder in einem Muster angeordnet. Wie dargestellt,
können
die Kühlöffnungen 306 in
Reihen angeordnet sein, wobei die Kühl öffnungen 306 radial
längs einer
axialen Position beabstandet sind.
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6, 7 und 8 veranschaulichen eine
Draufsicht, Vorderansicht und Seitenansicht eines Lochpaneels 310 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Anmeldung. Wie gezeigt, kann das Lochpaneel 310 im
Wesentlichen rechteckig sein, obwohl andere Formen für sonstige
Anwendungen möglich
sind. In dem Lochpaneel 310 können mehrere Kühlöffnungen 306 ausgebildet
sein. Die Kühlöffnungen 306,
wie sie an dem Lochpaneel 310 ausgebildet sind, sind im
Allgemeinen hohle Durchlasskanalpfade, die sich durch die Dicke
des Lochpaneels 310 erstrecken. In einigen Ausführungsbeispielen
kann der Querschnitt des Durchlasskanalpfads der Kühlöffnungen 306 kreisförmig oder
oval sein. In einigen Ausführungsbeispielen
können
zwischen 20 und 50 Kühlöffnungen 306 in
dem Paneel 310 ausgebildet sein. Die Kühlöffnungen 306 können in
Abhängigkeit
von der Anwendung in mehreren Mustern oder Anordnungen angeordnet
sein. Wie gezeigt, können
die Kühlöffnungen 306 in
einer einzigen Reihe angeordnet sein, die sich über die Länge des Rechtecks erstreckt.
Die Kühlöffnungen 306 können sich
durch die Dicke des Paneels 310 hindurch schiefwinklig,
d. h. nicht senkrecht zu der Ober- und Unterseite des Paneels, erstrecken,
wie es am deutlichsten in 8 veranschaulicht
ist. Die Lochpaneele 310 können auf mehreren Materialien
basieren, beispielsweise auf Nickelbasis-Superlegierungen, auf Keramikmaterialien
oder auf sonstigen ähnlichen Werkstoffen.
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9 veranschaulicht
die Oberfläche
einer exemplarischen Schaufel 320 mit drei Paneelöffnungen 324,
die dazu eingerichtet sind, mit Lochpaneelen 310 in Eingriff
zu kommen, so dass auf den Eingriff hin mehrere Kühlöffnungen 306 in
dem Schaufelblatt 320 erzeugt sind, ohne dass es erforderlich
ist, für
die Erzeugung jeder einzelnen Kühlöffnung eine eigene
Bohrung an der Schaufel anzubringen. Die Richtung des Stroms wäh rend des
Betriebs ist mit dem Pfeil 336 bezeichnet. Die Paneelöffnungen 324 sind
im Allgemeinen durch die Außenwand
des Schaufelblattes 320 hindurch ausgebildete Öffnungen,
die gestaltet sind, um ein Lochpaneel 310 aufzunehmen,
und um nach dem Einbau zwischen der Paneelöffnung 324 und einem
Lochpaneel 310 einen Passsitz zu erzielen. D. h., eine
Paneelöffnung 324 kann
im Wesentlichen als ein beseitigter Abschnitt der Außenwand 231 erachtet
werden. (In dem hier verwendeten Sinne soll der Begriff ”beseitigt/entfernt” beinhalten,
dass der maßgebende
Außenwandabschnitt
nicht vorhanden ist, wobei sowohl Fälle eingeschlossen sind, in
denen der Außenwandabschnitt
entfernt wurde, als auch Fälle,
in denen die Schaufel statt dessen ohne den Außenwandabschnitt ausgebildet
wurde). In dieser Hinsicht kann ein Lochpaneel 310 als
eine Komponente betrachtet werden, die so geformt ist, dass sie
zu der Paneelöffnung 324 passt,
die bis auf die vorgefertigten Kühlöffnungen 306 dem
fehlenden Abschnitt der Außenwand 231 ähnelt, als
wäre die
Komponente tatsächlich
aus der Schaufel entfernt worden. Darüber hinaus kann eine Paneelöffnung 324 in
einigen Ausführungsbeispielen
so gestaltet sein, dass die Kühlöffnungen 306 des
Lochpaneels 310 auf den Eingriff des Lochpaneels 310 in
der Paneelöffnung 324 hin
einen Auslasskanal von den in dem Schaufelblatt 320 angeordneten
hohlen Kühlhohlräumen (beispielsweise
von der Anströmkanteninnenkammer 220 oder
von der Abströmkanteninnenkammer 222, wie
sie zuvor beschrieben sind) zu der Oberfläche des Schaufelblattes 320 bilden.
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10 veranschaulicht
die Schaufel 320 nach dem Einbau der Lochpaneele 310 in
die Paneelöffnungen 324.
Im Allgemeinen wird die Außenfläche des
Lochpaneels 310, nachdem das Lochpaneel 310 passgenau
in die Paneelöffnung 324 eingefügt ist, mit
der Außenfläche des
Schaufelblattes 300 im Wesentlichen bündig abschließen. Weiter
veranschaulicht 10 eine mögliche Ausrichtung der Paneele 310 in
Bezug auf den durch die Turbine verlaufenden Strom, dessen Richtung
durch den Pfeil 326 ge zeigt ist. Wie gezeigt, können die
Lochpaneele 310 so ausgerichtet sein, dass die Kühlöffnungen 306 stromabwärts ”weisen”. D. h.,
die Lochpaneele 310 können so
ausgerichtet sein, dass der Winkel der Kühlöffnungen 306 sicherstellt,
dass das Kühlfluid
in eine im Wesentlichen stromabwärts
verlaufende Richtung ausgestoßen
wird.
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11 veranschaulicht
eine geschnittene Ansicht einer Schaufelaußenwand 402 und des Lochpaneels 310 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Anmeldung. Wie dem Fachmann klar, kann die Außenwand 402 eine
Heißseite 404, die
die Seite ist, die dem Heißgaspfad
des Turbinentriebwerks ausgesetzt ist, und eine Kaltseite 406 aufweisen,
die im Allgemeinen die Seite ist, die einem der inneren Hohlräume des
Schaufelblattes, d. h. den inneren Kühlkanälen des Schaufelblattes zugewandt ist.
Wie gezeigt, kann die Länge
und/oder Breite der Paneelöffnung 324 in
einigen Ausführungsbeispielen konusförmig ausgebildet
sein, so dass die Länge und/oder
die Breite an der Kaltseite 406 größer ist als an der Heißseite 404.
Das Lochpaneel 310 kann ähnlich gestaltet sein, so dass
das Paneel 310, wie gezeigt, mit der Öffnung 324 in Berührung steht.
Diese Konfiguration verhindert, dass sich das Paneel 310 aus
der Öffnung 324 in
eine nach außen
verlaufende Richtung von der Schaufel löst, so dass das losgelöste Lochpaneel 310 in
den Arbeitsfluidstrom (dessen Richtung durch den Pfeil 408 gezeigt
ist) gelangen würde.
Das Lochpaneel 310 würde
selbstverständlich
stromabwärts
gelegene Komponenten beschädigen,
falls es sich lösen
und ungehindert in den Arbeitsfluidstrom gelangen würde. Weiter überschreitet der
Betriebsdruck im Innern der Schaufel, wie dem Fachmann klar, den
Druck des Arbeitsfluids. Unter Voraussetzung der in 11 dargestellten
konusförmigen
Gestalt bewirkt dieses Druckgefälle,
dass das Paneel 310 während
des Betriebs an Ort und Stelle gehalten wird. Das eingebaute Lochpaneel 310 kann auch
durch eine zwischen diesem und der Paneelöffnung 324 angebrachte
Hartlotverbindung, Schweiß verbindung
oder mechanische Verbindung an Ort und Stelle gehalten werden. In
einem abgewandelten Ausführungsbeispiel
kann die konusförmige
Fläche umgekehrt
gestaltet sein, so dass die Länge und/oder
die Breite an der Kaltseite 406 kleiner ist als an der
Heißseite 404.
Diese Anordnung würde
beispielsweise einen bequemen Einbau des Lochpaneels 310 von
der Außenseite
der Schaufel her erlauben.
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12 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Schaufelaußenwand 402 und des
Lochpaneels 310 gemäß einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ändert der Pfad der Kühlöffnung 412 in
diesem Ausführungsbeispiel
auf seinem Weg durch das Lochpaneel 310 seine Richtung,
so dass im Wesentlichen eine Ellbogenkehre entsteht. In solchen
Ausprägungen
kann häufig
ein (nicht gezeigter) bemessener Schlitz ausgebildet sein, wobei
mehrere Öffnungen
in einen einzelnen bemessenen Schlitz münden. Die Ellbogenkehre kann
einen Richtungswechsel von etwa 90° beinhalten. In einigen Ausführungsbeispielen
kann die Ellbogenkehre einen Richtungswechsel von zwischen 70 und
110 Grad beinhalten. Insbesondere kann die Kühlöffnung 412 beginnend
an der Kaltseite 406 in eine stromaufwärts verlaufende Richtung abgewinkelt
sein (d. h. dergestalt, dass sie sich von der Kaltseite 406 ausgehend
in Richtung eines Punktes auf der Heißseite 404 erstreckt,
der weiter stromaufwärts gelegen
ist als der Punkt des Ausgangsorts auf der Kaltseite 406).
Auf etwa halbem Wege durch das Lochpaneel 310 kann die
Richtung der Kühlöffnung 412 sich
um etwa 90° ändern (oder
die Öffnungen können in
manchen Ausprägungen
in einen bemessenen Schlitz münden,
der in eine andere Richtung ausgerichtet ist). Mittels dieses Richtungswechsels ist
die Richtung der Kühlöffnung 412 im
Allgemeinen in einer stromabwärts
verlaufenden Richtung abgewinkelt (d. h., dass sie sich ausgehend
von der Stelle des Richtungswechsels in Richtung eines Punktes auf
der Heißseite 404 erstreckt,
der weiter stromabwärts
angeordnet ist als die axiale Stelle des Rich tungswechsel). Wie
dem Fachmann klar, sind Kühlöffnungen
dieser Konstruktion von Vorteil, da, nachdem die Krümmung in
Strömungsrichtung
verläuft, ein
und derselbe Kühlmittelstrom
einen gesteigerten Kühlungspegel
hervorbringt. Im Allgemeinen war die Herstellung solcher Konstruktionen
jedoch außerordentlich
schwierig und/oder kostspielig, da der Richtungswechsel Bohrungen
von beiden Seiten der Außenwand
des Schaufelblattes her, d. h. von der Außenseite des Schaufelblattes
her und von den inneren Hohlräumen
des Schaufelblattes her, erforderte. Dieses Problem ist durch die
Verwendung des Lochpaneels 310 gelöst, da die Öffnungen und der bemessene
Schlitz vor dem Einbau in der Paneelöffnung 324 gebohrt
werden können.
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Zu
beachten ist, dass die Erfindung in Abschnitten dieser Anmeldung
mit Bezug auf ihre Verwendung in einer Statorschaufel beschrieben
ist, die in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Art einer Anwendung
beschränkt,
und die vorliegende Erfindung kann, wie dem Fachmann klar, in Verbindung
mit anderen Arten von Turbinenschaufeln, beispielsweise Rotorlaufschaufeln,
verwendet werden.
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Dem
Fachmann werden anhand der obigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung Verbesserungen, Änderungen
und Modifikationen offensichtlich. Solche Verbesserungen, Änderungen
und Modifikationen im Rahmen des Standes der Technik sollen durch
die beigefügten
Patentansprüche
abgedeckt sein. Weiter sollte klar sein, dass sich das Vorausgehende
lediglich auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung
bezieht, und dass im Vorliegenden zahlreiche Änderungen und Modifikationen
vorgenommen werden können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch
die nachfolgenden Ansprüche
und deren äquivalente
Bedeutungen definiert ist.
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Eine
Schaufelanordnung 320 für
ein Turbinentriebwerk 100, zu der gehören: eine Schaufel 320,
die mindestens eine darin ausgebildete Paneelöffnung 324 aufweist;
und ein Lochpaneel 310, das mit mindestens einer Kühlöffnung 306 ausgebildet ist;
wobei die Paneelöffnung 324 und
das Lochpaneel 310 so eingerichtet sind, dass nach Einbau
des Lochpaneels 310 in der Paneelöffnung eine im Wesentlichen
ebenmäßige Außenfläche des
Schaufelblattes 320 gebildet wird, und dass wenigstens
eine der Kühlöffnungen 306 des
Lochpaneels 310 einen Auslasskanal aus wenigstens einem
hohlen Innenraum in dem Schaufelblatt 320 bildet.
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- 100
- Gasturbinentriebwerk
- 106
- Verdichter
- 110
- Turbine
- 112
- Brennkammer
- 118
- Verdichter
- 120
- Verdichterlaufradschaufeln
- 122
- Verdichterstatorschaufeln
- 124
- Turbine
- 126
- Turbinenlaufschaufeln
- 128
- Turbinenstatorschaufeln
- 210
- Schaufel
- 212
- Anströmkante
- 214
- Druckseite
- 216
- Saugseite
- 218
- Abströmkante
- 220
- Anströmkanteninnenkammer
- 222
- Abströmkanteninnenkammer
- 224
- intermediäre Trennwand
- 226
- Anströmkantenhohleinsatz
- 228
- Abströmkantenhohleinsatz
- 230
- Einsatzöffnungen
- 231
- Außenwand
- 232
- Kühlöffnungen
- 244
- Abströmkantenkühlöffnung
- 300
- Turbinenstatorschaufel
- 302
- Schaufelblattprofil
- 304
- Stirnwände
- 306
- Kühlöffnung
- 310
- Lochpaneel
- 320
- Schaufel/Schaufelblatt
- 324
- Paneelöffnungen
- 326
- Pfeil
- 402
- Außenwand
- 404
- Heißseite
- 406
- Kaltseite
- 408
- Pfeil