DE102014100239B4

DE102014100239B4 - System mit einem Verbundstoffschaufelblatt mit Hohlkehlenübergang und Verfahren zur Ausbildung desselben

Info

Publication number: DE102014100239B4
Application number: DE102014100239.3A
Authority: DE
Inventors: Andres Garcia-Crespo; Peter de Diego
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2034-01-11
Also published as: JP2014181694A; US20140271208A1; US10132170B2; JP6302251B2; CN104047639B; CN104047639A; CH707728A2; DE102014100239A1

Abstract

System mit:einem Turbinenschaufelsegment, zu dem gehören:ein Schaufelblatt (52), das eine Außenfläche (70) aufweist;eine Plattform (54), die mit dem Schaufelblatt (52) verbunden ist, wobei die Plattform (54) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die Plattform (54) mehrere Plattformschichten (110) aufweist, die sich nur in dem Abschnitt der Plattform (54) erstrecken; undmehrere konkave Hohlkehlenübergänge (100, 102, 104, 106), die sich zwischen dem Schaufelblatt (52) und der Plattform (54) erstrecken, wobei jeder konkave Hohlkehlenübergang (100, 102, 104, 106) mehrere Übergangslagensegmente (126) aufweist, zu denen mehrere äußere Hohlkehlenübergänge (100, 106), die sich über die Außenfläche (70) des Schaufelblatts (52) und über die erste oder die zweite Seite der Plattform (54) erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche zwischen dem Schaufelblatt (52) und der Plattform (54) zu bilden, und mehrere innere Hohlkehlenübergänge (102, 104) gehören, die sich in die Plattform (54) hinein und innerhalb dieser erstrecken, wobei die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge (102, 104) von den mehreren äußeren Hohlkehlenübergängen (100, 106) durch mehrere der mehreren Plattformschichten (110) getrennt sind.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die hier beschriebene Erfindung betrifft Turbinenschaufelblätter von Turbotriebwerken und spezieller ein System mit einem Verbundstoffschaufelblatt mit Hohlkehlenübergang und ein Verfahren zur Ausbildung desselben.
Turbotriebwerke, z.B. Gasturbinen, Dampfturbinen, Strahltriebwerke und Wasserturbinen, enthalten Verdichter und Turbinen. Allgemein enthalten Turbotriebwerke ein Laufrad, das auf einer Welle oder Trommel basieren kann, um das Turbotriebwerk zu stützen. Jede Turbinenlaufschaufel kann einen Schaufelblattabschnitt und einen Plattform- oder Basisabschnitt aufweisen. Nachteilig ist, dass der Übergang zwischen dem Schaufelblattabschnitt und der Plattform eine scharfe Ecke oder Verbindungsstelle sein kann, die möglicherweise anfällig für Spannungskonzentrationen ist. Daher kann es erwünscht sein, den Übergang zu verbessern, um mechanische Spannungen zu reduzieren und die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel zu steigern.
US 7 198 472 B2 offenbart ein Turbinenschaufelsegment, zu dem ein Schaufelblatt mit einer Außenfläche und eine Plattform gehören, die mit dem Schaufelblatt verbunden ist und die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist. Die Plattform weist mehrere Plattformlagenschichten auf, die sich nur in dem Abschnitt der Plattform erstrecken. Das System weist zudem einen konkaven Hohlkehlenübergang auf, der sich zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform erstreckt. Der konkave Hohlkehlenübergang enthält mehrere Übergangslagensegmente, zu denen ein oder mehrere äußere Übergangslagensegmente, die sich über die Außenfläche des Schaufelblatts und über die erste Seite der Plattform erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu bilden, und ein oder mehrere innere Übergangslagensegmente gehören, die sich in die Plattform hinein und innerhalb dieser erstrecken.
DE 38 26 378 A1 offenbart eine aus fasertechnischen Verbundwerkstoffen aufgebaute Rotor- oder Propellerschaufel mit einem Schaufelblatt und einer Plattform und mit konkaven Hohlkehlensegmenten, die sich über eine Außenfläche des Schaufelblatts und eine Außenfläche der Plattform erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche und einen konkaven Hohlkehlenübergang zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu bilden.
JP S64- 56 902 A offenbart eine Kompressoverbundschaufel mit einer Plattform und Hohlkehlensegmenten, die sowohl auf der Plattformoberseite als auch auf der Plattformunterseite angeordnet sind.
Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Übergang zwischen dem Schaufelblattabschnitt und der Plattform einer Turbinenlaufschaufel zu schaffen, um mechanische Spannungen zu reduzieren, die Stabilität zu erhöhen und die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel zu steigern.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung dieser Aufgabe sind Systeme mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7 und ein Verfahren mit den Schritten des unabhängigen Patentanspruchs 10 geschaffen. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Im Folgenden sind spezielle Ausführungsbeispiele gemäß dem Gegenstand der Erfindung zusammenfassend beschrieben.
In einem ersten Ausführungsbeispiel enthält ein System ein Turbinenschaufelsegment, zu dem ein Schaufelblatt mit einer Außenfläche und eine Plattform gehören, die mit dem Schaufelblatt verbunden ist und die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist. Die Plattform weist mehrere Plattformschichten auf, die sich nur in dem Abschnitt der Plattform erstrecken. Das System weist zudem mehrere konkave Hohlkehlenübergänge auf, sie sich zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform erstrecken. Jeder konkave Hohlkehlenübergang enthält mehrere Übergangslagensegmente, zu denen mehrere äu-ßere Hohlkehlenübergänge, die sich über die Außenfläche des Schaufelblatts und über die erste oder die zweite Seite der Plattform erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu bilden, und mehrere innere Hohlkehlenübergänge gehören, die sich in die Plattform hinein und innerhalb dieser erstrecken, wobei die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge von den mehreren äußeren Hohlkehlenübergängen durch mehrere der mehreren Plattformschichten getrennt sind.
Das Schaufelblatt kann mehrere Schaufelblattschichten enthalten, die Plattform kann mehrere Plattformschichten enthalten, und die mehreren Schaufelblattschichten und die mehreren Plattformschichten können jeweils eine erste Anzahl keramischer Fasern enthalten, die in einem gesamten ersten keramischen Matrixmaterial verteilt sind.
Die mehreren Übergangslagensegmente können eine zweite Anzahl keramischer Fasern enthalten, die in einem gesamten zweiten keramischen Matrixmaterial verteilt sind.
Die Dichte der zweiten Anzahl keramischer Fasern in dem zweiten keramischen Matrixmaterial der mehreren Übergangslagensegmente kann sich von der Dichte der ersten Anzahl keramischer Fasern in dem ersten keramischen Matrixmaterial der mehreren Schaufelblattschichten und der mehreren Plattformschichten unterscheiden.
Die mehreren Schaufelblattschichten, die mehreren Plattformschichten, die mehreren Übergangslagensegmente oder eine Kombination davon kann mittels eines chemischen Verfahrens und/oder eines metallurgischen Verfahrens aneinander gesichert sein.
Das Turbinenschaufelsegment jedes oben genannten Systems kann einen Füllmaterialbereich aufweisen, der durch einen Raum zwischen dem Schaufelblatt, der Plattform und den mehreren konkaven Hohlkehlenübergängen gebildet ist.
Der Füllmaterialbereich jedes oben genannten Systems kann mit einer Anzahl Keramikfaserschnipseln, mit einer Anzahl Keramikfaserschnipseln, die in einem dritten keramischen Matrixmaterial suspendiert sind, oder mit einer Kombination davon gefüllt sein.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält ein System ein Turbinenschaufelsegment, das mehrere Schaufelblattschichten, mehrere Plattformschichten und mehrere Übergangslagensegmente aufweist. Die mehreren Schaufelblattschichten sind miteinander laminiert, um ein Schaufelblatt zu bilden. Die mehreren Plattformschichten sind miteinander laminiert, um eine Plattform zu bilden, wobei die mehreren Plattformschichten sich nur in dem Abschnitt der Plattform erstrecken, und die Plattform ist mit dem Schaufelblatt verbunden. Die mehreren Übergangslagensegmente umfassen mehrere äußere Hohlkehlenübergänge, die sich über eine Außenfläche des Schaufelblatts und über eine Außenfläche der Plattform erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche und einen konkaven Hohlkehlenübergangsbereich zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu bilden, und mehrere innere Hohlkehlenübergänge, die sich über die Außenfläche des Schaufelblatts und in die mehreren Plattformschichten hinein erstrecken, so dass die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge in die mehreren Plattformschichten derart eingeflochten sind, dass die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge von den mehreren äu-ßeren Hohlkehlenübergängen und voneinander durch mehrere der mehreren Plattformschichten getrennt sind.
Die mehreren Schaufelblattschichten, die mehreren Plattformschichten, die mehreren Übergangslagensegmente oder eine Kombination davon können viele keramische Fasern enthalten, die in einem gesamten keramischen Matrixmaterial verteilt sind.
Die mehreren Übergangslagensegmente können bei jedem vorgenannten System durch Schneiden einer Lagenplatte des keramischen Matrixmaterials in kleinere Abschnitte gebildet sein.
Jedes der mehreren Übergangslagensegmente, die in die mehreren Plattformschichten eingeflochten sind, kann einen konkaven Hohlkehlenübergang zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform bilden.
In einem dritten Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren den Schritt des Laminierens mehrerer Schaufelblattschichten, um ein Schaufelblatt einer Turbinenlaufschaufel zu bilden. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Laminierens mehrerer Plattformschichten, um eine Plattform der Turbinenlaufschaufel zu bilden. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Anordnens mehrerer innerer Hohlkehlenübergänge, so dass sie sich von einer Außenfläche des Schaufelblatts bis in die Plattform hinein und innerhalb dieser erstrecken. Das Verfahren beinhaltet zudem den Schritt des Anordnens mehrerer Hohlkehlenübergänge über der Außenfläche des Schaufelblatts und über einer Außenfläche der Plattform, um einen konkaven Hohlkehlenübergangsbereich zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu bilden, wobei die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge derart angeordnet werden, dass sie von den mehreren äußeren Hohlkehlenübergängen durch mehrere der mehreren Plattformschichten getrennt sind.
Das Verfahren kann den Schritt des Einflechtens eines der mehreren Hohlkehlenübergänge in die mehreren Plattformschichten durch Anordnen der mehreren Hohlkehlenübergänge - zwischen den mehreren Plattformschichten beinhalten.
Jedes vorgenannte Verfahren kann den Schritt des Ausbildens des konkaven Hohlkehlenübergangs zwischen jedem der mehreren Übergangslagensegmente beinhalten, die in die mehreren Plattformschichten eingeflochten sind.
Jedes der obengenannten Verfahren kann den Schritt des Ausbildens eines Füllmaterialbereichs zwischen dem Schaufelblatt, der Plattform und den konkaven Hohlkehlenübergängen beinhalten.
Jedes vorgenannte Verfahren kann den Schritt des Füllens des Füllmaterialbereichs mit einer Anzahl Keramikfaserschnipseln, mit einer Anzahl in einem keramischen Matrixmaterial suspendierten Keramikfaserschnipseln, oder mit einer Kombination davon beinhalten.
Bei jedem vorgenannten Verfahren können die mehreren Schaufelblattschichten, die mehreren Plattformschichten und die mehreren Übergangslagensegmente mittels eines chemischen Verfahrens oder eines metallurgischen Verfahrens aneinander gesichert sein.
Jedes vorgenannte Verfahren kann den Schritt des gegenseitigen Überlappens der mehreren Übergangslagensegmente beinhalten, um die konkaven Hohlkehlenübergänge zu bilden.
Bei jedem vorgenannten Verfahren kann sich jeder konkave Hohlkehlenübergang ausgehend von einer Spitze des Schaufelblatts zu einem Rand der Plattform erstrecken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Kombikraftwerksystems, das ein Gasturbinensystem, eine Dampfturbine und ein Wärmerückgewinnungsdampferzeugungs-(HRSG)-System enthält;
2 veranschaulicht in einer partiellen axialen Schnittansicht eines Verbundstoffturbotriebwerks axial angebrachte Verbundstoffturbinenschaufeln mit konkaven Hohlkehlenübergängen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Umfangsschnittansicht einer Verbundstoffturbinenschaufel mit einem oder mehreren konkaven Hohlkehlenübergängen ohne Veranschaulichung der mehreren äußeren und inneren Hohlkehlenübergänge, der Schaufelblattschichten und der Plattformschichten, wie in den unabhängigen Patnetansprüchen beansprucht;
4 zeigt eine partielle Umfangsschnittansicht einer Verbundstoffturbinenschaufel, die einen verflochtenen Hohlkehlenübergang aufweist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 veranschaulicht anhand eines Ausführungsbeispiels einer segmentierten Lagenplatte ein oder mehrere Übergangslagensegmente (d.h. Lagenschichten oder Lagenstreifen); und
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verbundstoffturbinenschaufel, die eine Schicht von Übergangslagensegmenten aufweist, wobei die Schicht von Übergangslagensegmenten einen konkaven Hohlkehlenübergang bildet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte als Vorteil erachtet werden, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z.B. Konformität mit systembezogenen und wirtschaftlichen Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass eine solche Entwicklungsbemühung komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für den Fachmann, der über den Vorteil dieser Beschreibung verfügt, eine Routinemaßnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung bedeuten würde.
Wenn Elemente vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die unbestimmten und bestimmten Artikel „ein“, „eine“ bzw. „der, die, das“ und dergleichen das Vorhandensein von mehr als einem Element einschließen. Die Begriffe „umfassen“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.
Die offenbarten Ausführungsbeispiele beinhalten eine Turbinenlaufschaufel (z.B. ein Verbundstoffschaufelblatt), die (das) einen Verbundstoffschaufelblattabschnitt (z.B. ein Schaufelblatt), eine Verbundstoffplattform und einen zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform angeordneten Übergangsabschnitt aufweist. Spezieller beinhaltet der Übergangsabschnitt in speziellen Ausführungsbeispielen einen konkaven Hohlkehlenübergang, der sich über eine Außenfläche des Schaufelblatts und über die Plattform der Verbundstoffturbinenschaufel erstreckt. Wie nachfolgend im Einzelnen erörtert, können das Verbundstoffschaufelblatt und die Verbundstoffplattform als ein einzelnes Teil anhand einer oder mehrerer laminierter Schichten eines Verbundstoffs (z.B. eines Keramikmatrixverbundstoffs (CMC)) ausgebildet sein. Während die Schichten des Verbundstoffs zusammengebaut werden, werden ein oder mehrere Lagensegmente, die ebenfalls aus einem CMC-Material hergestellt sein können, entlang des Schaufelblattes (beispielsweise entlang der Außenfläche des Schaufelblatts angeordnet) und entlang der Plattform zusammengebaut, um den konkaven Hohlkehlenübergang zu bilden. Wie nachstehend erläutert, stellt der konkave Hohlkehlenübergang einen ebenmäßigen und kontinuierlichen Übergang zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform bereit, um der Verbundstoffturbinenschaufel zusätzlichen Halt gegen Schwingungsbeanspruchung zu verleihen und sie vor frühzeitigem Verschleiß zu schützen.
In speziellen Ausführungsbeispielen erstrecken sich das eine oder die mehreren Lagensegmente (z.B. parallele Lagensegmente) des konkaven Hohlkehlenübergangs ausgehend von einer Außenfläche des Schaufelblatts, sind an der Ecke, wo das Schaufelblatt und die Plattform zusammentreffen, gekrümmt und erstrecken sich über die Länge einer Außenfläche der Plattform. In weiteren Ausführungsbeispielen erstreckt sich mindestens eines der Übergangslagensegmente ausgehend von einer Außenfläche des Schaufelblatts, krümmt sich an der Ecke, wo das Schaufelblatt und die Plattform zusammentreffen, ist in laminierte Schichten der Plattform eingeflochten und erstreckt sich über die Länge einer Innenfläche der Plattform. Außerdem kann an der Ecke, wo das Schaufelblatt und die Plattform zusammentreffen, und in dem Raum (z.B. Hohlraum) zwischen dem konkaven Hohlkehlenübergang, dem Schaufelblatt und der Plattform ein Füllmaterialbereich (z.B. ein hohler Bereich, der mit einem Material gefüllt ist) ausgebildet sein. In speziellen Ausführungsbeispielen kann der Füllmaterialbereich mit Keramikfaserschnipseln, mit Keramikfaserschnipseln, die in einem CMC-Material suspendiert sind, mit Hackfaserkunstharz, mit unverstärktem Harz, oder mit einer Kombination davon gefüllt sein.
Wie nachfolgend im Einzelnen erörtert, kann der konkave Hohlkehlenübergang anhand eines oder mehrerer Übergangslagensegmente (z.B. paralleler Lagensegmente) ausgebildet sein, um eine oder mehrere fortlaufende Schichten zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu erzeugen. In speziellen Ausführungsbeispielen ist eine Lagenplatte in der Weise in Lagensegmente (z.B. Lagenstreifen) segmentiert, dass die Lagensegmente nach dem Zusammenbau auf dem Schaufelblatt und der Plattform aneinander angrenzen, sich jedoch nicht überlappen, um den konkaven Hohlkehlenübergang zu bilden. In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Lagenplatte in der Weise in Lagensegmente (z.B. Lagenstreifen) segmentiert, dass die Lagensegmente sich überlappen, um auf dem Schaufelblatt und der Plattform eine oder mehrere dünne Schichten zu erzeugen. Darüber hinaus sind in speziellen Ausführungsbeispielen in dem CMC-Material der Lagenplatte mehr Fasern verteilt als in dem CMC-Material oder in den Schichten, die für die Ausbildung des Schaufelblatts und/oder der Plattform genutzt werden. In solchen Ausführungsbeispielen können die zusätzlichen Fasern des CMC-Materials in der Lagenplatte, die den konkaven Hohlkehlenübergang bildet, dazu dienen, die Stabilität gegen Schwinglasten an den Verbundstoffturbinenschaufeln zu steigern.
Indem nun auf die Zeichnungen eingegangen wird, zeigt 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Kombizyklussystems 10, das mehrere Verbundstoffturbomaschinen mit Laufschaufelsystemen enthält. Speziell enthalten die Turbomaschinen Verbundstoffturbinenschaufeln (d.h. Verbundstoffturbinenschaufelsegmente), die einen Schaufelblattabschnitt (z.B. ein Schaufelblatt), einen Basisabschnitt mit einer Plattform und einem Schwalbenschwanz, und einen oder mehrere konkave Hohlkehlenübergangsabschnitte aufweisen können, die das Schaufelblatt und die Plattform überbrücken, verbinden und/oder sich über diese erstrecken. Insbesondere erstreckt sich jeder konkave Hohlkehlenübergangsabschnitt einer Verbundstoffturbinenschaufel über eine Außenfläche des Schaufelblatts und über die Plattform, um einen ebenmäßigen und kontinuierlichen Übergang zwischen dem Schaufelblatt und seiner entsprechenden Plattform zu erzeugen.
Wie veranschaulicht, enthält das Kombizyklussystem 10 ein Gasturbinensystem 11 mit einem Verdichter 12, einer oder mehreren Brennkammeranordnungen 14 mit Brennstoffdüsen 16 und einer Gasturbine 18. Die Brennstoffdüsen 16 verzweigen einen Flüssigkraftstoff und/oder einen gasförmigen Brennstoff, z.B. Erdgas oder ein synthetisches Gas, in die Brennkammeranordnungen 14. Die Brennkammeranordnungen 14 zünden und verbrennen ein Brennstoff/Luft-Gemisch und leiten die entstandenen heißen und verdichteten Verbrennungsgase 20 (z.B. Abgase) anschließend in die Gasturbine 18. Die Gasturbine 18 enthält Turbinenschaufeln 22, die mit einem Laufrad 24 verbunden sind. Jedes Verbundstoffschaufelblatt der Turbinenschaufeln 22 weist (wie in 2 gezeigt) ein Schaufelblatt und eine Plattform auf. Speziell enthalten die Turbinenschaufeln 22 (z.B. Verbundstoffschaufelblätter), wie nachfolgend erläutert, eine oder mehrere konkave Hohlkehlenübergangsabschnitte, die das Schaufelblatt und die Plattform jeder Turbinenschaufel 22 überbrücken, um eine ebenmäßige Übergangsfläche zu erzeugen. Während die Verbrennungsgase 20 die Turbinenschaufeln 22 in der Gasturbine 18 durchqueren, wird die Gasturbine 18 in Drehung versetzt, was bewirkt, dass das Laufrad 24 um eine Achse 25 rotiert. Schließlich verlassen die Verbrennungsgase 20 die Gasturbine 18 über einen Abgasauslass 26 (z.B. einen Abgaskanal, Abgaskamin, Schalldämpfer, und dergleichen).
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel enthält der Verdichter 12 Verdichterlaufschaufeln 28 (z.B. Verbundstoffschaufelblätter). Die Verdichterlaufschaufeln 28 in dem Verdichter 12 sind ebenfalls mit dem Laufrad 24 verbunden und rotieren, wenn das Laufrad 24 durch die Gasturbine 18, wie im Vorausgehenden beschrieben, in Drehung versetzt wird. Während die Verdichterlaufschaufeln 28 in dem Verdichter 12 rotieren, verdichten die Verdichterlaufschaufeln 28 von einer Luftansaugöffnung aufgenommene Luft zu verdichteter Luft 30, die zu den Brennkammeranordnungen 14, den Brennstoffdüsen 16 und anderen Abschnitten des Kombizyklussystems 10 verzweigt wird. Die Brennstoffdüsen 16 vermischen die verdichtete Luft 30 anschließend mit Brennstoff, um ein geeignetes Brennstoff/LuftGemisch hervorzubringen, das in den Brennkammeranordnungen 14 verbrennt, um die Verbrennungsgase 20 für den Antrieb der Gasturbine 18 zu erzeugen. Darüber hinaus kann das Laufrad 24 mit einer ersten Last 31 verbunden sein, die durch die Drehung des Laufrads 24 angetrieben werden kann. Beispielsweise ist die erste Last 31 eine beliebige geeignete Vorrichtung, die in der Lage ist, über die Drehmomentausgabe des Kombizyklussystems 10 Strom zu erzeugen, beispielsweise eine Stromerzeugungsanlage oder eine externe mechanische Last. Beispielsweise kann die erste Last 31 einen elektrischen Generator, einen Propeller eines Flugzeugs und dergleichen beinhalten.
Das Kombizyklussystem 10 enthält zudem eine Dampfturbine 21 mit Laufschaufeln (z.B. Verbundstoffschaufelblättern), um (z.B. über die Rotation einer Welle 27) eine zweite Last 23 anzutreiben. Beispielsweise kann die zweite Last 23 ein elektrischer Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms sein. Allerdings können sowohl die erste als auch die zweite Last 31 und 23 auf anderen Arten von Lasten basieren, die durch das Gasturbinensystem 11 und die Dampfturbine 21 angetrieben werden können. Obwohl das Gasturbinensystem 11 und die Dampfturbine 21 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel unterschiedliche Lasten antreiben (z.B. eine erste und zweite Last 31 und 23), lassen sich das Gasturbinensystem 11 und die Dampfturbine 23 darüber hinaus auch in Tandem verwenden, um eine einzelne Last über eine einzige Welle anzutreiben.
Das Kombizyklussystem 10 weist außerdem das HRSG-System 35 auf. Erwärmtes Abgas 29 von der Gasturbine 18 wird in das HRSG-System 35 geleitet, um Wasser für die Erzeugung von Dampf 33 zu erwärmen, der dazu dient, die Dampfturbine 21 anzutreiben. Es ist klar, dass das HRSG-System 35 unterschiedliche Vorwärmer, Kondensatoren, Verdampfer, Heizvorrichtungen und dergleichen enthalten kann, um den Dampf 33 für den Antrieb der Dampfturbine 21 zu erzeugen und zu erwärmen. Der durch das HRSG-System 35 erzeugte Dampf 33 durchquert die Turbinenschaufeln der Dampfturbine 21. Während der Dampf 33 die Turbinenschaufeln in der Dampfturbine 21 durchquert, wird die Dampfturbine 21 in Drehung versetzt, was bewirkt, dass sich die Welle 27 dreht, so dass dadurch die zweite Last 23 angetrieben wird.
Im Folgenden kann auf unterschiedliche Richtungen oder Achsen Bezug genommen werden, z.B. auf eine Axialrichtung 32 entlang der Achse 25, auf eine von der Achse 25 weg führende Radialrichtung 34, und auf eine Umfangsrichtung 36 um die Achse 25 der Gasturbine 18 herum. Während der unten beschriebene Hohlkehlenübergang, wie oben erwähnt, in Verbindung mit beliebigen Verbundstoffturbinenschaufeln in Turbotriebwerken (z.B. Verdichtern 12, Gasturbinen 18 oder Dampfturbinen 21) verwendet werden kann, beschreibt die folgende Erörterung darüber hinaus verbesserte Verbundstoffturbotriebwerkslaufschaufeln in Zusammenhang mit der Gasturbine 18 (z.B. mit einer Gasturbine).
2 veranschaulicht anhand einer partiellen axialen Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasturbine 18 mit an dem Laufrad 24 angebrachten Turbinenschaufeln 22 die konkaven Hohlkehlenübergänge 50 jeder entsprechenden Turbinenschaufel 22. Speziell überbrückt jeder konkave Hohlkehlenübergang 50 einen Schaufelblattabschnitt (z.B. das Schaufelblatt 52) jeder Turbinenschaufel 22 mit einer Plattform 54 jeder Turbinenschaufel 22.
Jede Turbinenschaufel 22 kann einen Schwalbenschwanz 56 (z.B. einen Halterungssegmentabschnitt oder Schwalbenschwanzeinsatz) aufweisen, der gestaltet ist, um mit einer Ausnehmung oder einer Nut 58, z.B. mit einer axialen oder mit einer um den Umfang ausgebildeten Nut, in Eingriff zu kommen. Beispielsweise kann der Schwalbenschwanz 56 mit einem zweiten Schwalbenschwanzabschnitt oder einer Schwalbenschwanznut in Eingriff kommen, der/die in dem Laufrad 24 ausgebildet ist. Beispielsweise können sich die Nuten 58 in einem Ausführungsbeispiel in der Umfangsrichtung 36 vollständig um das Laufrad 24 erstrecken (d.h. dieses umrunden). In noch einem Ausführungsbeispiel kann das Laufrad 24 mit mehreren axialen Nuten 58 ausgebildet sein, die in Umfangsrichtung um das Laufrad 24 voneinander beabstandet sind. Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel zeigt eine einzelne Stufe 60 von Turbinenschaufeln 22, die an dem Laufrad 24 angebracht sind. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet eine „Stufe“ von Turbinenschaufeln 22 jene Turbinenschaufeln 22, die sich entlang des Umfangs um das Laufrad 24 an einer gewissen axialen Stelle entlang dem Laufrad 24 erstrecken. Darüber hinaus sind die Turbinenschaufeln 22 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel, wie es oben erwähnt ist, in den Nuten 58 (z.B. durch die Schwalbenschwänze 56) axial befestigt. D.h. die in dem Laufrad 24 ausgebildeten Nuten 58 erstrecken sich axial entlang dem Laufrad 24. Es ist klar, dass der Schwalbenschwanz 56 jeder entsprechenden Turbinenschaufel 22 durch axiales Einsetzen des Schwalbenschwanzes 56 in die Nut 58 mit dem Laufrad 24 verbunden werden kann.
Wie gezeigt, enthält jede Turbinenschaufel 22 das Schaufelblatt 52, den Schwalbenschwanz 56 und einen Schaft 62. Auch hier ist das Schaufelblatt 52 der Schaufelblattabschnitt der Turbinenschaufel 22, während die Plattform 54, der Schwalbenschwanz 56 und der Schaft 62 einen Basisabschnitt oder Befestigungsabschnitt der Turbinenschaufel 22 definieren. Jede Turbinenschaufel 22 kann als ein einzelnes Teil anhand mehrerer laminierter Schichten (z.B. Lagen) ausgebildet sein. Jede laminierte Schicht kann zusammengesetzt sein aus einem Verbundstoff, beispielsweise aus einem Keramikmatrixverbundstoff (z.B. aus einem polymeren Matrixverbundstoff) und kann viele keramische Fasern enthalten, die in eine Keramikmatrix eingebettet sind. Insbesondere können die vielen keramischen Fasern, die in dem gesamten Keramikmatrixverbundstoff jeder Schaufelblattschicht 112 verteilt sind (siehe 3), in speziellen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen übereinstimmen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Fasern, die in dem gesamten Keramikmatrixverbundstoff jeder Schaufelblattschicht 112 verteilt sind, unterschiedlich sein, um die Beständigkeit gegen Schwinglasten an dem Schaufelblatt zu steigern oder zu vermindern. Als Vorteil wird erachtet, dass Verbundstoffe höheren Temperaturen standhalten und eine längere Lebensdauer aufweisen können als metallische Werkstoffe. Darüber hinaus erfordern Verbundstoffe möglicherweise weniger Kühlung als metallische Werkstoffe.
Wie nachfolgend im Einzelnen erörtert, kann der Schwalbenschwanz 56 jeder Turbinenschaufel 22 gestaltet sein, um in der Nut 58 (z.B. Ausnehmung) in dem Laufrad 24 der Gasturbine 18 angeordnet zu werden. Außerdem kann die Plattform 54 jeder Turbinenschaufel 22 entlang einer Außenfläche des Laufrads 24 angeordnet sein und in Umfangsrichtung 36 und/oder Axialrichtung 32 senkrecht zu ihrer Turbinenschaufel 22 sein. In speziellen Ausführungsbeispielen erstreckt sich der konkave Hohlkehlenübergang 50 ausgehend von einer Außenfläche des Schaufelblatts 52, ist an einer Ecke 64, wo das Schaufelblatt 52 und die Plattform 54 zusammentreffen, gekrümmt und erstreckt sich über eine Außenfläche der Plattform 54, um einen fortlaufenden und gleichmäßigen Übergang zwischen dem Schaufelblatt 52 und der Plattform 54 zu erzeugen. In solchen Ausführungsbeispielen verstärkt der konkave Hohlkehlenübergang die Ecke 64, an der Stelle, wo das Schaufelblatt 52 und die Plattform 54 zusammentreffen, und verleiht der Turbinenschaufel 22 zusätzlichen Halt gegen Schwingungsbeanspruchung. Außerdem sieht der konkave Hohlkehlenübergang 50 zusätzlichen Schutz für mehrschichtige Schutzschichten auf der Turbinenschaufel 22 vor und kann eine die Nutzungslebensdauer der Turbinenschaufel 22 verkürzende Rissbildung bzw. einen Verschleiß der Schutzschichten verringern.
3 veranschaulicht anhand einer Umfangsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Turbinenschaufel 22 von 2 die konkaven Hohlkehlenübergänge 50, die eine ebenmäßige fortlaufende Schicht zwischen dem Schaufelblatt 52 und der Plattform 54 der Turbinenschaufel 22 bilden. 3 veranschaulicht nicht die Details der mehreren inneren und äußeren Hohlkehlenübergänge und Plattformschichten, wie in den unabhängigen Patentansprüchen beansprucht. Speziell sind die konkaven Hohlkehlenübergänge 50 jeweils anhand mehrerer paralleler Lagensegmente geformt, die sich ausgehend von einer Außenfläche 70 der Turbinenschaufel 22 erstrecken, an der Ecke 64, wo das Schaufelblatt 52 und die Plattform 54 zusammentreffen, gekrümmt sind und sich über die Länge eine Außenfläche 72 der Plattform 54 erstrecken.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Schaufelblatt 52 zu einer Spitze 74 der Turbinenschaufel 22, während der Schwalbenschwanz 56 und der Schaft 62 sich zu einem Schwanzende 76 der Turbinenschaufel 22 erstrecken. Der Schwalbenschwanz 56 (z.B. der Halterungssegmentabschnitt) der Turbinenschaufel 22 kann eine Schwalbenschwanzkonstruktion aufweisen und kann gestaltet sein, um (wie in 2 gezeigt) in der Nut 58 oder Ausnehmung des Laufrads 24 in der Gasturbine 18 angeordnet zu werden. Darüber hinaus kann sich die Plattform 54 auf einer rechten Seite 78 und auf einer linken Seite 80 seitlich von dem Schwalbenschwanz 56 erstrecken, wenn der Schwalbenschwanz 56 in der Nut 58 des Laufrads 24 angeordnet ist. D.h. die Plattform 54 kann auf einer Druckseite (d.h. linken Seite 80) der Turbinenschaufel 22 und auf einer Saugseite (d.h. rechten Seite 78) der Turbinenschaufel 22 angeordnet sein.
Wie oben erwähnt, weist die Turbinenschaufel 22 das Schaufelblatt 52, den Schwalbenschwanz 56 und den Schaft 62 auf. Darüber hinaus weist die Turbinenschaufel 22 die Plattform 54 auf, die mit dem Schaufelblatt 52 verbunden ist, um die Turbinenschaufel 22 in dem Laufrad 24 zu sichern und (z.B. für Verbrennungsgase 20) einen Strömungspfad in der Gasturbine 18 zu bilden. In speziellen Ausführungsbeispielen werden die Turbinenschaufeln 22 in einem Formwerkzeug 81 zusammengebaut, indem ein Satz von vorgruppierten Lagenschichten des Schaufelblatts 52 in enger Berührung mit einem Satz von vorgruppierten Lagenschichten der Plattform 54 platziert werden. Speziell kann der Satz von vorgruppierten Lagenschichten des Schaufelblatts 52 senkrecht zu dem Satz von vorgruppierten Lagenschichten der Plattform 54 in dem Formwerkzeug 81 angeordnet werden. In speziellen Ausführungsbeispielen sind ein oder mehrere Übergangslagensegmente 126 (z.B. Übergangslagenstreifen, viele Lagen und/oder Lagensegmente, die den konkaven Hohlkehlenübergang 50 bilden) in dem Formwerkzeug 81 angeordnet, um den konkaven Hohlkehlenübergang 50 zu bilden. Speziell kann sich ein Übergangslagensegment 126 ausgehend von der Spitze 74 der Turbinenschaufel 22 nach unten in Richtung der Ecke 64 erstrecken und kann sich über die Länge der Plattform 54 fortsetzen. Beispielsweise kann ein Übergangslagensegment 126 entlang einer Außenfläche 70 der Turbinenschaufel 22 nach unten in Richtung der Ecke 64 angelegt werden und sich auf der rechten Seite 78 oder der linken Seite 80 über die Länge der Plattform 54 erstrecken. In weiteren Ausführungsbeispielen können sich ein oder mehrere Übergangslagensegmente 126 ausgehend von dem Schwanzende 76 der Turbinenschaufel 22 aufwärts in Richtung der Ecke 64 erstrecken und sich auf der rechten Seite 78 oder auf der linken Seite 80 über die Länge der Plattform 54 fortsetzen. In speziellen Ausführungsbeispielen wird die in dem Formwerkzeug 81 angeordnete, vollständig zusammengebaute Turbinenschaufel 22 in ein Druckgefäß gepresst, um die vorgruppierten mehrschichtigen Lagenschichten des Schaufelblatts 52, der Plattform 54 und des konkaven Hohlkehlenübergang 50 zu verdichten. Mit der Verdichtung der mehrschichtigen Lagenschichten werden organische flüchtige Stoffe der Lage entfernt und die Lagenschichten werden mit Harz (z.B. geschmolzenem Silizium) durchsetzt. Die durchsetzten Schichten verfestigen sich zu der endgültigen Turbinenschaufel 22. Speziell ist der konkave Hohlkehlenübergang 50 in die endgültige Architektur der Turbinenschaufel 22 eingegliedert, um einen massiven und dichten Übergang zwischen dem Schaufelblatt 52 und der Plattform 54 zu erzeugen. In speziellen Ausführungsbeispielen werden die Turbinenschaufeln 22 (die das Schaufelblatt 52, den Schwalbenschwanz 56, den Schaft 62 und die Plattform 54 aufweisen) zusammengebaut und anschließend mittels chemischer und/oder metallurgischer Verfahren aneinander gesichert. Beispielsweise werden die Schaufelblattschichten 112, die Plattformschichten 110 und die Übergangslagensegmente 126 mittels eines chemischen Verfahrens oder mittels eines metallurgischen Verfahrens aneinander gesichert.
Darüber hinaus ist in speziellen Ausführungsbeispielen ein Füllmaterialbereich 82 (d.h. ein hohler Bereich oder eine innere Ecke) als der Raum definiert, der an der Ecke 64 zwischen dem konkaven Hohlkehlenübergang 50 und dem Schaufelblatt 52 und/oder der Plattform 54 gebildet ist. D.h. der Füllmaterialbereich 82 ist die innere Ecke jedes konkaven Hohlkehlenübergangs 50. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Größe des Füllmaterialbereichs 82 auf der Grundlage des ungefähren Grades der Krümmung 84 des konkaven Hohlkehlenübergangs 50 an der Ecke 64 gesteigert oder vermindert werden. Beispielsweise kann ein höherer Grad der Krümmung 84 (z.B. ein Winkel im Bereich von etwa 100 Grad und 170 Grad) einen größeren Füllmaterialbereich 82 ergeben. Desgleichen kann ein geringerer Grad der Krümmung 84 (z.B. ein Winkel im Bereich von etwa 40 Grad und 80 Grad) einen kleineren Füllmaterialbereich 82 ergeben. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Größe des Füllmaterialbereichs 82 auf der Grundlage der Dicke der Lagensegmente, die den konkaven Hohlkehlenübergang 50 bilden, gesteigert oder vermindert werden. Beispielsweise kann ein dünneres Lagensegment einen größeren Füllmaterialbereich 82 bilden. In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann die Größe des Füllmaterialbereichs 82 von der Menge des Füllstoffmaterials abhängen, die in dem Füllmaterialbereich 82 ausgebracht ist. Der Füllmaterialbereich 82 kann mit Keramikfaserschnipseln, mit in einem CMC-Material suspendierten Keramikfaserschnipseln, mit Hackfaserkunstharz, mit faserstoffverstärkten Lagen, mit nicht faserstoffverstärktem Harz, oder mit einer Kombination davon gefüllt werden. Speziell ist der konkave Hohlkehlenübergang 50 an der Ecke 64 gekrümmt, um einen gleichmäßigen Übergang über den Materialien zu bilden, die in dem Füllmaterialbereich 82 ausgebracht sind, so dass Hohlräume zwischen dem konkaven Hohlkehlenübergang 50 und den Materialien in dem Füllmaterialbereich 82 verringert werden.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird der konkave Hohlkehlenübergang 50 anhand eines oder mehrerer Übergangslagensegmente 126 (z.B. Lagenstreifen) gebildet, die an einem Scheitelpunkt 86 an der Außenfläche 70 der Turbinenschaufel 22 an der Spitze 74 der Turbinenschaufel 22 beginnen. Das Übergangslagensegment 126 setzt sich nach unten hin in Richtung des Schwanzendes 76 der Turbinenschaufel 22 fort und krümmt sich an der Ecke 64, wo das Schaufelblatt 52 mit der Plattform 54 verbunden ist. Nach der Krümmung an der Ecke 64 setzt sich das Lagensegment über die Außenfläche 72 der Plattform 54 fort, bevor es an einem Plattformrandpunkt 88 endet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Lagensegment an einem Mittellinienpunkt 90 an der Außenfläche 70 der Turbinenschaufel 22 oder an einem Schaufelblattbasispunkt 92 an der Außenfläche 70 der Turbinenschaufel 22 beginnen. In der Tat kann das Lagensegment auch an einem beliebigen Punkt zwischen dem Scheitelpunkt 86 und dem Schaufelblattbasispunkt 92 beginnen. Desgleichen beginnt ein weiterer konkaver Hohlkehlenübergang 50 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel an einem Endpunkt 94 auf der Außenfläche 70 der Turbinenschaufel 22 an dem Schwanzende 76 der Turbinenschaufel 22. In diesem Ausführungsbeispiel setzt sich das Lagensegment in Richtung der Spitze 74 der Turbinenschaufel 22 fort und krümmt sich an der Ecke 64, wo das Schaufelblatt 52 mit der Plattform 54 verbunden ist. Nach der Krümmung an der Ecke 64, setzt sich das Lagensegment über die Länge der Außenfläche 72 der Plattform 54 fort, bis es an einem Plattformrandpunkt 89 endet.
In einigen Ausführungsbeispielen kann auf Flächen der Turbinenschaufel 22, des Schaufelblatts 52 und/oder der Plattform 54, die Hochtemperaturströmen ausgesetzt sind, eine Schicht (z.B. eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten) einer Umgebungsschutzbeschichtung (EBC) 79 aufgebracht werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die EBC 79 auf eine beliebige Fläche der Turbinenschaufel 22, des Schaufelblatts 52 und/oder der Plattform 54 aufgebracht werden, die gleichmäßige Übergänge oder kontinuierliche Flächen, z.B. den konkaven Hohlkehlenübergang 50, aufweist. Beispielsweise kann die Schicht der EBC 79 auf die Außenfläche des konkaven Hohlkehlenübergangs 50 aufgebracht werden, so dass die EBC 79 den konkaven Hohlkehlenübergang 50 beispielsweise von dem Scheitelpunkt 86 und/oder von dem Endpunkt 94 bis zu dem Plattformrandpunkt 88, 89 bedeckt. In einigen Situationen kann die EBC 79 die Turbinenschaufel 22 vor Rückgängen von Strömungspfadbedingungen in dem System schützen. Die EBC 79 kann anhand eines Verbundstoffs, beispielsweise eines Keramikmatrixverbundstoffs (z.B. eines polymeren Matrixverbundstoffs) ausgebildet sein.
4 veranschaulicht anhand einer Umfangsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Turbinenschaufel 22 von 2 einen oder mehrere konkave Hohlkehlenübergänge 50 (z.B. 100, 102, 104 und 106), die in mehrere Plattformschichten 110 hinein verflochten sind. Speziell wird jeder konkave Hohlkehlenübergang 100, 102, 104 oder 106, wie nachstehend in 5-6 beschrieben, anhand einer oder mehrerer Übergangslagenschichten 126 (z.B. Lagensegmenten oder Lagenstreifen) gebildet. Wie gezeigt, ist die Turbinenschaufel 22 (die das Schaufelblatt 52, den Schwalbenschwanz 56, den Schaft 62 und die Plattform 54 aufweist) anhand mehrere laminierter Schichten oder Lagen ausgebildet. Beispielsweise wird das Schaufelblatt 52 anhand einer Anzahl von Schaufelblattschichten 112 (z.B. Schaufelblattschichten oder Schaufelblattlagen) gebildet, und die Plattform 54 wird anhand einer Anzahl von Plattformschichten 110 (z.B. Plattformschichten oder Plattformlagen) gebildet. Desgleichen sind die konkaven Hohlkehlenübergänge 50 (z.B. 100, 102, 104, oder 106) anhand von Übergangslagensegmenten 126 ausgebildet. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist jeder konkave Hohlkehlenübergang 50 (wie ausführlicher anhand von 5-6 beschrieben) mittels einer einzelnen nicht überlappenden Schicht von Übergangslagensegmenten 126 gebildet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann jeder konkave Hohlkehlenübergang 50 anhand von zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr Schichten von Übergangslagensegmenten 126 ausgebildet sein. In speziellen Ausführungsbeispielen können die Schaufelblattschichten 112, die Plattformschichten 110 und die Übergangslagenschichten anhand eines keramischen Matrixmaterials 116 ausgebildet sein, in dem keramische Fasern 114 eingebettet sind. Speziell kann die Konzentration der keramischen Fasern 114 in den Schaufelblattschichten 112, in den Plattformschichten 110 und in den Übergangslagensegmenten 126 unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die Konzentration (z.B. die Dichte) der keramischen Fasern 114 in dem keramischen Matrixmaterial 116 der Schaufelblattschichten 112 und der Plattformschichten 110 im Wesentlichen übereinstimmen. Als ein weiteres Beispiel kann die Konzentration (z.B. die Dichte) der keramischen Fasern 114 in dem keramischen Matrixmaterial 116 der Übergangslagenschichten größer sein als die Konzentration in den Schaufelblattschichten 112 und in den Plattformschichten 110. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Konzentration (z.B. Dichte) der keramischen Fasern 114 in dem keramischen Matrixmaterial 116 der Übergangslagenschichten variiert werden, so dass die Konzentration in den Übergangslagenschichten kleiner oder gleich der Konzentration in den Schaufelblattschichten 112 und in den Plattformschichten 110 sein kann.
Wie oben beschrieben, kann der konkave Hohlkehlenübergang 50 so angeordnet sein, dass er sich in die endgültige Architektur der Turbinenschaufel 22 eingliedert, um einen kompakten und dichten Übergang zwischen der Außenfläche 70 des Schaufelblatts 52 und der Außenfläche 72 der Plattform 54 zu bilden. Beispielsweise sind konkave Hohlkehlenübergänge 100 und 106 über die Außenfläche 70 des Schaufelblatts 52 und über die Außenfläche 72 der Plattform 54 ausgebreitet. In weiteren Ausführungsbeispielen sind ein oder mehrere konkave Hohlkehlenübergänge 50 so angeordnet, dass sie in die mehreren Plattformschichten 110 eingeflochten sind. Beispielsweise sind konkave Hohlkehlenübergänge 102 und 104 auf Innenflächen 111 der Plattform 54 angeordnet. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind sämtliche konkaven Hohlkehlenübergänge 102 und 104 durch mehrere Plattformschichten 110 getrennt. In weiteren Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere konkave Hohlkehlenübergänge 102 und 104 zueinander benachbart sein, und die benachbarten konkaven Hohlkehlenübergänge 102 und 104 können durch mehrere Plattformschichten 110 getrennt sein.
In speziellen Ausführungsbeispielen ist die Turbinenschaufel 22 (die das Schaufelblatt 52, den Schwalbenschwanz 56, den Schaft 62 und die Plattform 54 aufweist) anhand mehrerer laminierter Schichten oder Lagen ausgebildet. Beispielsweise kann das Schaufelblatt 52 der Turbinenschaufel 22 10 bis 1000, 50 bis 500, 100 bis 400, oder 200 bis 300 Schaufelblattschichten 112 aufweisen. Wie oben erwähnt, können die Schaufelblattschichten 112 laminiert sein, um das Schaufelblatt 52 zu bilden. Desgleichen können die Plattformschichten 110 laminiert sein, um die Plattform 54 zu bilden, und die Übergangslagenschichten können laminiert sein, um die konkaven Hohlkehlenübergänge 50 (z.B. 100, 102, 104, oder 106) zu bilden. Speziell sind die Schaufelblattschichten 112 entlang der Turbinenschaufel 22 in Längsrichtung (z.B. in der Radialrichtung 34) ausgerichtet. Die Schaufelblattschichten 112 und die Plattformschichten 110 können anhand eines keramischen Matrixmaterials 116 ausgebildet sein, in dem keramische Fasern 114 eingebettet sind. Das keramische Matrixmaterial 116 und die keramischen Fasern 114 können auf dem gleichen Material basieren oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Wie gezeigt, sind die keramischen Fasern 114 in dem keramischen Matrixmaterial 116 allgemein in der Richtung der entsprechenden Schicht ausgerichtet. Weiter sind auch die Übergangslagensegmente 126 anhand des keramischen Matrixmaterials 116 ausgebildet, in dem keramische Fasern 114 eingebettet sind. Speziell kann die Konzentration der keramischen Fasern 114 zwischen den Schaufelblattschichten 112, den Plattformschichten 110 und den Übergangslagensegmente 126 unterschiedlich sein. Beispielsweise kann in speziellen Ausführungsbeispielen ein Abstand 118 zwischen den keramischen Fasern 114, die in den Schaufelblattschichten 112 eingebettet sind, größer sein als ein Abstand 120 zwischen keramischen Fasern 114, die in die konkaven Hohlkehlenübergänge 50 eingebettet sind. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Abstand 118 gleich oder kleiner als der Abstand 120 sein. D.h. die Konzentration der keramischen Fasern 114 in den Schaufelblattschichten 112 oder in den Plattformschichten 110 ist geringer als die Konzentration der keramischen Fasern 114 in den Übergangslagenschichten der konkaven Hohlkehlenübergänge 50.
Wie oben beschrieben, ist der Füllmaterialbereich 82 (z.B. ein hohler Bereich oder eine innere Ecke) als der Raum definiert, der an der Ecke 64 zwischen jedem konkaven Hohlkehlenübergang 50, dem Schaufelblatt 52 und/oder der Plattform 54 gebildet ist. Beispielsweise ist jeder konkave Hohlkehlenübergang 50 (z.B. 100, 102, 104, oder 106) in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel dem Füllmaterialbereich 82 zugeordnet. Jeder Füllmaterialbereich 82 befindet sich in der inneren Ecke des entsprechenden konkaven Hohlkehlenübergangs 50 (z.B. 100, 102, 104, oder 106). Außerdem kann jeder Füllmaterialbereich 82 mit Keramikfaserschnipseln 122 gefüllt sein. Beispiele für die Keramikfaserschnipsel 122 sind Keramikfaserschnipsel, die in einem CMC-Material suspendiert sind, Hackfaserkunstharz, faserstoffverstärkte Lagen, nicht faserstoffverstärktes Harz, oder eine Kombination davon. Wie oben beschrieben, ist jeder konkave Hohlkehlenübergang 50 an der Ecke 64 gekrümmt, um einen gleichmäßigen Übergang über den Keramikfaserschnipseln 122 zu bilden, die in dem Füllmaterialbereich 82 ausgebracht sind, so dass Hohlraumabstände zwischen dem konkaven Hohlkehlenübergang 50 und den Keramikfaserschnipseln 122 verringert werden. Speziell kann die Konzentration der Keramikfaserschnipsel 122 in dem Füllmaterialbereich 82 größer sein als die Konzentration der keramischen Fasern 114 in den Übergangslagenschichten, den Schaufelblattschichten 112, oder den Plattformschichten 110. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Konzentration der Keramikfaserschnipsel 122 in dem Füllmaterialbereich 82 kleiner oder gleich der Konzentration der keramischen Fasern 114 in den Übergangslagenschichten, den Schaufelblattschichten 112 oder den Plattformschichten 110 sein.
5 veranschaulicht anhand eines Ausführungsbeispiels einer segmentierten Lagenplatte 124 ein oder mehrere Übergangslagensegmente 126 (z.B. Lagenschichten oder Lagenstreifen). Wie oben beschrieben, sind die konkaven Hohlkehlenübergänge 50 (z.B. 100, 102, 104, oder 106) mittels Übergangslagensegmente 126 gebildet. In speziellen Ausführungsbeispielen wird jeder konkave Hohlkehlenübergang 50 (wie eingehender in 6 beschrieben) anhand einer einzelnen nicht überlappenden Schicht von Übergangslagensegmenten 126 gebildet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann jeder konkave Hohlkehlenübergang 50 anhand von zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr Schichten von Übergangslagensegmenten 126 ausgebildet sein, so dass der Turbinenschaufel 22 durch zusätzliche Schichten von Übergangslagensegmenten 126 mehr Halt verliehen wird, ohne die strukturelle Form der Turbinenschaufel 22 zu benachteiligen.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die segmentierte Lagenplatte 124 anhand eines Verbundstoffs, beispielsweise eines Keramikmatrixverbundstoffs (z.B. eines polymeren Matrixverbundstoffs) ausgebildet und kann eine Anzahl keramischer Fasern 114 enthalten, die in dem keramischen Matrixmaterial 116 eingebettet sind. Insbesondere kann die Anzahl der keramischen Fasern 114, die in der gesamten segmentierten Lagenplatte 124 verteilt sind, in speziellen Ausführungsbeispielen größer sein als die Anzahl der keramischen Fasern 114, die in den gesamten Schaufelblattschichten 112 oder Plattformschichten 110 verteilt sind. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der keramischen Fasern 114, die in der segmentierten Lagenplatte 124 verteilt sind, kleiner oder höchstens gleich der Anzahl der keramischen Fasern 114 sein, die in den gesamten Schaufelblattschichten 112 oder Plattformschichten 110 verteilt sind.
Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel der segmentierten Lagenplatte 124 ist in sieben Übergangslagensegmente 126 segmentiert. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die segmentierte Lagenplatte 124 in zwei, drei, vier, fünf, sechs, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder mehr Übergangslagensegmente 126 segmentiert sein. In speziellen Ausführungsbeispielen kann jedes Übergangslagensegment 126 eine unterschiedliche Gestalt oder Größe aufweisen (z.B. ein keilförmiges Übergangslagensegment 126 sein), so dass die Übergangslagensegmente 126 sich nicht überlappen, wenn sie zusammengebaut werden, um den einzelnen mehrlagigen konkaven Hohlkehlenübergang 50 zu bilden. In weiteren Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere Übergangslagensegmente 126 dieselbe Gestalt oder Größe aufweisen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel 22, die eine Schicht von Übergangslagensegmenten 126 aufweist, wobei die Schicht von Übergangslagensegmenten 126 den konkaven Hohlkehlenübergang 50 bildet. Insbesondere sind die Übergangslagensegmente 126 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel auf der Turbinenschaufel 22 gruppiert, um den konkaven Hohlkehlenübergang 50 zu bilden. Wie zu sehen, erstrecken sich das eine oder die mehreren Übergangslagensegmente 126 des konkaven Hohlkehlenübergangs 50 ausgehend von der Außenfläche 70 des Schaufelblatts 52, sind an der Ecke 64, wo das Schaufelblatt 52 und die Plattform 54 zusammentreffen, gekrümmt und erstrecken sich über die Länge einer Außenfläche 72 der Plattform 54. Speziell stellt der konkave Hohlkehlenübergang 50 einen ebenmäßigen und fortlaufenden Übergang zwischen dem Schaufelblatt 52 und der Plattform 54 bereit, um der Turbinenschaufel 22 zusätzlichen Halt gegen Schwingungsbeanspruchung zu verleihen und sie vor frühzeitigem Verschleiß zu schützen.
Technische Effekte der Erfindung beinhalten die Turbinenschaufel 22 (z.B. das Verbundstoffschaufelblatt), die das Schaufelblatt 52, die Plattform 54 und den konkaven Hohlkehlenübergang 50 aufweist, der sich über das Schaufelblatt 52 und die Plattform 54 und zwischen diesen erstreckt. Speziell erstreckt sich der konkave Hohlkehlenübergang 50 über die Außenfläche 70 des Schaufelblatts 52 und über die Plattform 54 der Turbinenschaufel 22. Die Schichten des Schaufelblatts 52, der Plattform 54 und des konkaven Hohlkehlenübergangs 50 werden vereinigt und können mittels eines CMC-Materials hergestellt sein. Weiter ist der Füllmaterialbereich 82 (z.B. ein hohler Bereich, der mit einem Material gefüllt ist) an der Ecke 64 gebildet, wo das Schaufelblatt 52 und die Plattform 54 zusammentreffen. In speziellen Ausführungsbeispielen ist der Füllmaterialbereich 82 mit Keramikfaserschnipseln 122 gefüllt. Der konkave Hohlkehlenübergang 50 stellt einen ebenmäßigen und fortlaufenden Übergang zwischen dem Schaufelblatt 52 und der Plattform 54 bereit, um der Verbundstoffturbinenschaufel 22 gegen Schwingungsbeanspruchung zusätzlichen Halt zu verleihen und sie vor frühzeitigem Verschleiß zu schützen.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
Ein System enthält ein Turbinenschaufelsegment, das ein Schaufelblatt mit einer Außenfläche und eine Plattform beinhaltet, die mit dem Schaufelblatt verbunden ist und die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist. Das System weist zudem einen konkaven Hohlkehlenübergang auf, der sich zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform erstreckt. Der konkave Hohlkehlenübergang enthält ein oder mehrere Übergangslagensegmente, die sich über die Außenfläche des Schaufelblatts und über die erste oder die zweite Seite der Plattform erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu bilden.

Claims

System mit: einem Turbinenschaufelsegment, zu dem gehören: ein Schaufelblatt (52), das eine Außenfläche (70) aufweist; eine Plattform (54), die mit dem Schaufelblatt (52) verbunden ist, wobei die Plattform (54) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die Plattform (54) mehrere Plattformschichten (110) aufweist, die sich nur in dem Abschnitt der Plattform (54) erstrecken; und mehrere konkave Hohlkehlenübergänge (100, 102, 104, 106), die sich zwischen dem Schaufelblatt (52) und der Plattform (54) erstrecken, wobei jeder konkave Hohlkehlenübergang (100, 102, 104, 106) mehrere Übergangslagensegmente (126) aufweist, zu denen mehrere äußere Hohlkehlenübergänge (100, 106), die sich über die Außenfläche (70) des Schaufelblatts (52) und über die erste oder die zweite Seite der Plattform (54) erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche zwischen dem Schaufelblatt (52) und der Plattform (54) zu bilden, und mehrere innere Hohlkehlenübergänge (102, 104) gehören, die sich in die Plattform (54) hinein und innerhalb dieser erstrecken, wobei die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge (102, 104) von den mehreren äußeren Hohlkehlenübergängen (100, 106) durch mehrere der mehreren Plattformschichten (110) getrennt sind.
System nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (52) mehrere Schaufelblattschichten (112) enthält, die Plattform (54) die mehreren Plattformschichten (110) enthält und die mehreren Schaufelblattschichten (112) und die mehreren Plattformschichten (110) jeweils eine erste Anzahl keramischer Fasern (114) enthalten, die in einem gesamten ersten keramischen Matrixmaterial (116) verteilt sind.
System nach Anspruch 2, wobei die mehreren Übergangslagensegmente (126) eine zweite Anzahl keramischer Fasern (114) enthalten, die in einem gesamten zweiten keramischen Matrixmaterial (116) verteilt sind, und/oder wobei die mehreren Schaufelblattschichten (112), die mehreren Plattformschichten (110), die mehreren Übergangslagensegmente (126) oder eine Kombination davon mittels eines chemischen Verfahrens und/oder eines metallurgischen Verfahrens aneinander gesichert sind.
System nach Anspruch 3, wobei die Dichte der zweiten Anzahl keramischer Fasern (114) in dem zweiten keramischen Matrixmaterial (116) der mehreren Übergangslagensegmente (126) sich von der Dichte der ersten Anzahl keramischer Fasern (114) in dem ersten keramischen Matrixmaterial (116) der mehreren Schaufelblattschichten (112) und der mehreren Plattformschichten (110) unterscheidet.
System nach Anspruch 1, wobei das Turbinenschaufelsegment einen Füllmaterialbereich (82) aufweist, der durch einen Raum zwischen dem Schaufelblatt (52), der Plattform (54) und den mehreren konkaven Hohlkehlenübergängen (100, 102, 104, 106) gebildet ist.
System nach Anspruch 5, wobei der Füllmaterialbereich (82) mit einer Anzahl Keramikfaserschnipseln (122), mit einer Anzahl Keramikfaserschnipseln (122), die in einem dritten keramischen Matrixmaterial suspendiert sind, oder mit einer Kombination davon gefüllt ist.
System mit: einem Turbinenschaufelsegment, zu dem gehören: mehrere Schaufelblattschichten (112), die miteinander laminiert sind, um ein Schaufelblatt (52) zu bilden; mehrere Plattformschichten (110), die miteinander laminiert sind, um eine Plattform (54) zu bilden, wobei die mehreren Plattformschichten (110) sich nur in dem Abschnitt der Plattform (54) erstrecken, wobei die Plattform (54) mit dem Schaufelblatt (52) verbunden ist; und mehrere Übergangslagensegmente (126), zu denen mehrere äußere Hohlkehlenübergänge (100, 106), die sich über eine Außenfläche (70) des Schaufelblatts (52) und über eine Außenfläche (72) der Plattform (54) erstrecken, um eine kontinuierliche Fläche und einen konkaven Hohlkehlenübergangsbereich zwischen dem Schaufelblatt (52) und der Plattform (54) zu bilden, und mehrere innere Hohlkehlenübergänge (102, 104) gehören, die sich über die Außenfläche (70) des Schaufelblatts (52) und in die mehreren Plattformschichten (110) hinein erstrecken, so dass die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge (102, 104) in die mehreren Plattformschichten (110) derart eingeflochten sind, dass die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge (102, 104) von den mehreren äußeren Hohlkehlenübergängen (100, 106) und voneinander durch mehrere der mehreren Plattformschichten (110) getrennt sind.
System nach Anspruch 7, wobei die mehreren Schaufelblattschichten (112), die mehreren Plattformschichten (110), die mehreren Übergangslagensegmente (126) oder eine Kombination davon viele keramische Fasern (114) enthalten, die in einem gesamten keramischen Matrixmaterial (116) verteilt sind.
System nach Anspruch 8, wobei die mehreren Übergangslagensegmente (126) durch Schneiden einer Lagenplatte (124) des keramischen Matrixmaterials (116) in kleinere Abschnitte gebildet sind.
Verfahren, mit den Schritten: Laminieren mehrerer Schaufelblattschichten (112), um ein Schaufelblatt (52) einer Turbinenlaufschaufel zu bilden; Laminieren mehrerer Plattformschichten (110), um eine Plattform (54) der Turbinenlaufschaufel zu bilden; Anordnen mehrerer innerer Hohlkehlenübergänge (102, 104), so dass sie sich von einer Außenfläche (70) des Schaufelblatts (52) bis in die Plattform (54) hinein und innerhalb dieser erstrecken; und Anordnen mehrerer äußerer Hohlkehlenübergänge (100, 106) über der Außenfläche (70) des Schaufelblatts (52) und über einer Außenfläche (72) der Plattform (54), um einen konkaven Hohlkehlenübergangsbereich zwischen dem Schaufelblatt (52) und der Plattform (54) zu bilden, wobei die mehreren inneren Hohlkehlenübergänge (102, 104) derart angeordnet werden, dass sie von den mehreren äu-ßeren Hohlkehlenübergängen (100, 106) durch mehrere der mehreren Plattformschichten (110) getrennt sind.