DE112018004279T5 - Turbinenschaufel und gasturbine - Google Patents

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Yasuo Miyahisa
Susumu Wakazono
Satoshi Hada
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Abstract

Eine Turbinenschaufel umfasst einen Strömungsprofilkörper und eine Vielzahl von Kühldurchgängen, die sich entlang einer Schaufel-Höhenrichtung im Inneren des Strömungsprofilkörpers erstrecken und miteinander kommunizieren, um einen Serpentinen-Strömungsdurchgang zu bilden. Die Kühldurchgänge umfassen erste Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, und zweite Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, wobei die zweiten Turbulatoren an einer stromabwärtigen Seite des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind. Ein zweiter Winkel, der durch die zweiten Turbulatoren bezüglich einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang ausgebildet ist, ist kleiner als ein erster Winkel, der durch die ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite gebildet ist.

Description

  • TURBINENSCHAUFEL UND GASTURBINE
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel und eine Gasturbine.
  • Hintergrund
  • Es ist bekannt, dass in einer Turbinenschaufel für eine Gasturbine oder dergleichen die einer Hochtemperatur-Gasströmung oder dergleichen ausgesetzte Turbinenschaufel durch Strömenlassen eines Kühlfluids zu einem im Inneren der Turbinenschaufel ausgebildeten Kühldurchgang gekühlt wird.
  • Beispielsweise offenbaren die Patentdokument 1 bis 3 jeweils eine Turbinenschaufel mit einem Strömungsprofilabschnitt, in dessen Innerem ein Serpentinen-Strömungsdurchgang durch eine Vielzahl von Kühldurchgängen ausgebildet ist, die sich entlang der Schaufel-Höhenrichtung erstrecken. Rippenförmige Turbulatoren sind an Innenwandoberflächen der Kühldurchgänge in der Turbinenschaufel vorgesehen. Die Turbulatoren sind vorgesehen, um einen Wärmeübertragungskoeffizent zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel durch Fördern einer Turbulenz in der Strömung des Kühlfluids in den Kühldurchgängen zu verbessern.
  • Außerdem beschreibt Patentdokument 3, dass die Turbulatoren so vorgesehen sind, dass ein Neigungswinkel, der zwischen jedem Turbulator (Rippe) und der Richtung der Kühlungsströmung in jedem der Kühldurchgänge gebildet ist, im Wesentlichen konstant ist.
  • Zitierungsliste
  • Patentliteratur
    • Patentdokument 1: JP H11-229806 A
    • Patentdokument 2: JP 2001-137958 A
    • Patentdokument 3: JP 2015-214979 A
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Abhängig von der Form oder einem Betriebszustand einer Turbinenschaufel kann jedoch die Auswahl eines Turbulators mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten und einer hohen Kühlleistung eher eine negative Wirkung auf die Leistung der Turbinenschaufel haben.
  • Somit ist es eine Aufgabe von zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel und eine Gasturbine vorzusehen, die eine Turbine effizient kühlen können, indem ein geeigneter Turbulator ausgewählt ist.
  • Lösung für das Problem
    • (1) Eine Turbinenschaufel gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Strömungsprofilkörper und eine Vielzahl von Kühldurchgängen, die sich entlang einer Schaufel-Höhenrichtung im Inneren des Strömungsprofilkörpers erstrecken und miteinander kommunizieren, um einen Serpentinen-Strömungsdurchgang zu bilden. Die Kühldurchgänge umfassen erste Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, und zweite Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, wobei die zweiten Turbulatoren an einer stromabwärtigen Seite des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind. Ein zweiter Winkel, der durch die zweiten Turbulatoren bezüglich einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang ausgebildet ist, ist kleiner als ein erster Winkel, der durch die ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite gebildet ist. (1') Alternativ umfasst eine Turbinenschaufel gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Strömungsprofilkörper, eine Vielzahl von Kühldurchgängen, die sich entlang einer Schaufel-Höhenrichtung im Inneren des Strömungsprofilkörpers erstrecken und miteinander kommunizieren, um einen Serpentinen-Strömungsdurchgang zu bilden, rippenförmige erste Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, und rippenförmige zweite Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, wobei die rippenförmigen zweiten Turbulatoren an einer stromabwärtigen Seite des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind. Ein zweiter Winkel, der durch die zweiten Turbulatoren bezüglich einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang ausgebildet ist, ist kleiner als ein erster Winkel, der durch die ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite ausgebildet ist. In den Kühldurchgängen ist, in einem Bereich, wo ein durch die Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids gebildeter Winkel (der im Folgenden auch als ein „Neigungswinkel“ bezeichnet wird) in der Umgebung von 90 Grad ist, der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel in Tendenz eher hoch, wenn der Neigungswinkel klein ist. In dieser Hinsicht ist bei der obigen Konfiguration (1) der Neigungswinkel (zweite Winkel) der zweiten Turbulatoren in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang kleiner als der Neigungswinkel (erster Winkel) der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs. Somit ist der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient relativ niedrig in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite und eine Kühlung der Turbinenschaufel ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu halten, und der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient ist relativ hoch in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite und eine Kühlung der Turbinenschaufel wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel in einem Bereich der stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs zu verbessern bzw. zu erhöhen. Somit kann die Menge des Kühlfluids verringert werden, das dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zugeführt wird, um die Turbinenschaufel zu kühlen, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und dergleichen zu verbessern.
    • (2) Bei einigen Ausführungsformen ist in der obigen Konfiguration (1) ein zweiter Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der zweiten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite definiert ist, kleiner als ein erster Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite definiert ist.
    • (3) Eine Turbinenschaufel gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Strömungsprofilkörper und eine Vielzahl von Kühldurchgängen, die sich entlang einer Schaufel-Höhenrichtung im Inneren des Strömungsprofilkörpers erstrecken und miteinander kommunizieren, um einen Serpentinen-Strömungsdurchgang zu bilden. Die Kühldurchgänge umfassen erste Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, und zweite Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, wobei die zweiten Turbulatoren mit dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite kommunizieren und an einer stromabwärtigen Seite des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite positioniert sind. Ein zweiter Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der zweiten Turbulatoren bezüglich einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite definiert ist, ist kleiner als ein erster Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite definiert ist. Mit der obigen Konfiguration (3) ist der erste Formfaktor in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite kleiner als der zweite Formfaktor in dem stromabwärtigen Durchgang. Somit ist der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient relativ gering in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite und eine Kühlung der Turbinenschaufel ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu halten, und der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient ist relativ hoch in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite und die Kühlung der Turbinenschaufel wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel in dem Bereich der stromabwärtigen Seite eines gefalteten Strömungsdurchgangs zu verbessern. Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem gefalteten Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, verringert werden, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und dergleichen zu verbessern.
    • (4) Bei einigen Ausführungsformen ist in der obigen Konfiguration (3) ein zweiter Winkel, der durch die zweiten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem weitesten stromabwärtigen Durchgang gebildet ist, kleiner als ein erster Winkel, der durch die ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite gebildet ist. In den Kühldurchgängen ist, in dem Bereich, wo der durch die Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids gebildete Winkel (der im Folgenden auch als der „Neigungswinkel“ bezeichnet wird) in der Umgebung von 90 Grad ist, der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel in Tendenz hoch, wenn der Neigungswinkel klein ist. In dieser Hinsicht ist bei der obigen Konfiguration (4) der Neigungswinkel (zweiter Winkel) der zweiten Turbulatoren in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang kleiner als der Neigungswinkel (erster Winkel) der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs. Der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient ist relativ niedrig in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite und die Kühlung der Turbinenschaufel ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu halten, und der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient ist relativ hoch in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite und die Kühlung der Turbinenschaufel wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel in dem Bereich der stromabwärtigen Seite des gefalteten Strömungsdurchgangs zu verbessern. Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem gefalteten Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, weiter verringert werden, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und der gleichen weiter zu verbessern.
    • (5) Bei einigen Ausführungsformen ist in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1), (2) oder (4) der Durchgang der stromaufwärtigen Seite mit einer Vielzahl von ersten Turbulatoren versehen, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, der Durchgang der stromabwärtigen Seite ist mit einer Vielzahl von zweiten Turbulatoren versehen, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, und ein Durchschnitt von zweiten Winkeln der Vielzahl von zweiten Turbulatoren ist kleiner als ein Durchschnitt von ersten Winkeln der Vielzahl von ersten Turbulatoren. Mit der obigen Konfiguration (5) ist der Durchschnitt der Neigungswinkel (zweite Winkel) der Vielzahl von zweiten Turbulatoren in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang kleiner als der Durchschnitt der Neigungswinkel (erste Winkel) der Vielzahl von ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs. Somit ist es wie bei der obigen Konfiguration (1) beschrieben möglich, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu halten, und die Kühlung der Turbinenschaufel in dem Bereich der stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs zu verbessern. Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, verringert werden, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und dergleichen zu verbessern.
    • (6) Bei einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen (2) bis (4) ist der Durchgang der stromaufwärtigen Seite mit einer Vielzahl von ersten Turbulatoren versehen, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, der Durchgang der stromabwärtigen Seite ist mit einer Vielzahl von zweiten Turbulatoren versehen, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, und ein Durchschnitt der zweiten Formfaktoren der Vielzahl von zweiten Turbulatoren ist kleiner als ein Durchschnitt der ersten Formfaktoren der Vielzahl von ersten Turbulatoren.
    • (7) Bei einigen Ausführungsformen sind in irgendeiner der obigen Konfigurationen (2) bis (4) oder (6) die ersten Formfaktoren von einigen der ersten Turbulatoren kleiner als ein Durchschnitt der ersten Formfaktoren von anderen der ersten Turbulatoren in demselben Durchgang. Mit der obigen Konfiguration (7) ist es möglich, selbst dann, wenn ein heißer Punkt bzw. „hotspot“ in der Schaufel-Innenwand in demselben Durchgang auftritt, die lokale Kühlung zu verbessern, indem die ersten Formfaktoren der ersten Turbulatoren in dem Teil kleiner gemacht werden als die ersten Formfaktoren der anderen ersten Turbulatoren.
    • (8) Bei einigen Ausführungsformen umfasst in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (7) die Turbinenschaufel die ersten Turbulatoren, die in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite vorgesehen sind und den ersten Winkel von 90 Grad haben. Gemäß obiger Beschreibung ist in dem Bereich, wo der Neigungswinkel der Turbulatoren in den Kühldurchgängen in der Umgebung von 90 Grad ist, der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel in Tendenz hoch, wenn der Neigungswinkel klein ist. In dieser Hinsicht ist es mit der obigen Konfiguration (8) möglich, da der Neigungswinkel (1) der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite 90 Grad ist, und der Neigungswinkel (zweite Winkel) der zweiten Turbulatoren in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang geringer als 90 Grad ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu halten und die Kühlung der Turbinenschaufel in dem Bereich der stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs zu verbessern. Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, verringert werden, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und dergleichen zu verbessern.
    • (9) Bei einigen Ausführungsformen ist in irgendeiner der obigen Konfigurationen (2) bis (4), (6) oder (7) der erste Formfaktor durch ein Verhältnis P1/e1 einer Teilung bzw. eines Abstands P1 eines benachbarten Paars von ersten Turbulatoren der Vielzahl von ersten Turbulatoren zu einer Höhe e1 des Paars der ersten Turbulatoren bezüglich der Innenwandoberfläche des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite angegeben, und der zweite Formfaktor ist durch ein Verhältnis P2/e2 einer Teilung bzw. eines Abstands P2 eines angrenzenden Paars von zweiten Turbulatoren der Vielzahl von zweiten Turbulatoren zu einer Höhe e2 des Paars der zweiten Turbulatoren bezüglich der Innenwandoberfläche des Durchgangs der stromabwärtigen Seite angegeben. Unter der Voraussetzung, dass ein Verhältnis P/e einer Teilung bzw. eines Abstands P eines angrenzenden Paars von Turbulatoren einer Vielzahl von Turbulatoren, die in den Kühldurchgängen vorgesehen sind, zu einer durchschnittlichen Höhe e dieser Turbulatoren bezüglich der Innenwandoberfläche der Kühldurchgänge der Formfaktor ist, ist der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel in Tendenz hoch, wenn der Formfaktor P/e klein ist. In dieser Hinsicht ist bei der obigen Konfiguration (9) der erste Formfaktor P1/e1 in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite kleiner als der zweite Formfaktor P2/e2 in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite. Somit ist der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite relativ niedrig und die Kühlung der Turbinenschaufel ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu halten, und der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient ist relativ hoch in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite und die Kühlung der Turbinenschaufel wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel in einem Bereich einer stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs zu verbessern. Somit ist es möglich, die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, weiter zu verringern, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und der gleichen weiter zu verbessern.
    • (10) Bei einigen Ausführungsformen umfasst in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (9) der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an einer am weitesten stromabwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen positioniert ist, und der Durchgang der stromaufwärtigen Seite umfasst den Kühldurchgang, der angrenzend an den am weitesten stromabwärtigen Durchgang angeordnet ist. Das Kühlfluid, das durch die Vielzahl von Kühldurchgängen strömt, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang bilden, nimmt stromab bezüglich der Temperatur durch einen Wärmetausch mit der zu kühlenden Turbinenschaufel zu. Die Temperatur des Kühlfluids ist am höchsten in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an der stromabwärtigen Seite der Strömung des Kühlfluids positioniert ist. In dieser Hinsicht ist bei der obigen Konfiguration (10) in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite einschließlich dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang der Neigungswinkel der Turbulatoren kleiner als in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite, der angrenzend an den am weitesten stromabwärtigen Durchgang angeordnet ist. Somit ist der oben beschrieben Wärmeübertragungskoeffizient relativ niedrig in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite, und die Kühlung der Turbinenschaufel ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang relativ beizubehalten, und der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient ist relativ hoch in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang, und die Kühlung der Turbinenschaufel wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang zu verbessern. Somit ist es möglich, die Menge des Kühlfluids, die dem gefalteten Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, effektiv zu verringern und die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und dergleichen zu verbessern.
    • (11) Bei einigen Ausführungsformen sind in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (10) die Vielzahl der Kühldurchgänge ein Serpentinen-Strömungsdurchgang, der zumindest die drei Kühldurchgänge aufweist. In der obigen Konfiguration (11) ist es möglich, den Neigungswinkel (zweiter Winkel) der zweiten Turbulatoren in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang von zumindest den drei Kühldurchgängen kleiner zu machen als den Neigungswinkel (erster Winkel) der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite von zumindest den drei Kühldurchgängen, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang bilden. Somit ist es gemäß der Beschreibung der obigen Konfiguration (1) möglich, die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, zu verringern, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine einschließlich der Gasturbine und dergleichen zu verbessern.
    • (12) Bei einigen Ausführungsformen umfassen in der obigen Konfiguration (11) die Vielzahl von Kühldurchgängen einen am weitesten stromaufwärtigen Durchgang, der an einer am weitesten stromaufwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen positioniert ist, und eine Innenwandoberfläche des am weitesten stromaufwärtigen Durchgangs ist durch eine glatte Oberfläche gebildet, die nicht mit irgendwelchen Turbulatoren versehen ist. In einem Fall, in dem die Innenwandoberfläche des Kühldurchgangs durch die glatte Oberfläche gebildet ist, die nicht mit irgendwelchen Turbulatoren versehen ist, ist der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel gering, im Vergleich zu einem Fall, in dem die Turbulatoren an der Innenwandoberfläche des Kühldurchgangs vorgesehen sind. In dieser Hinsicht ist bei der obigen Konfiguration (12), da die Innenwandoberfläche des am weitesten stromaufwärtigen Durchgangs, der an der am weitesten stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen positioniert ist, durch die glatte Oberfläche gebildet ist, die nicht mit irgendwelchen Turbulatoren versehen ist, der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient in dem am weitesten stromaufwärtigen Durchgang niedriger als der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite. Der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient in dem am weitesten stromaufwärtigen Durchgang, dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite und dem Durchgang der stromabwärtigen Seite, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang bilden, nimmt also in dieser Reihenfolge zu. Somit wird der Wärmeübertragungskoeffizient in Stufen in dem Serpentinen-Strömungsdurchgang einfach verändert, wodurch eine Einstellung der Kühlleistung in jedem der Kühldurchgänge vereinfacht ist.
    • (13) Bei einigen Ausführungsformen umfasst in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (12) der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite einer Strömung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen positioniert ist, und der am weitesten stromabwärtige Durchgang ist so ausgebildet, dass eine Strömungsdurchgangsfläche davon zu der stromabwärtigen Seite der Strömung des Kühlfluids hin abnimmt. Da der am weitesten stromabwärtige Durchgang so ausgebildet ist, dass die Strömungsdurchgangsfläche davon zu der stromabwärtigen Seite der Strömung des Kühlfluids hin abnimmt, nimmt bei der obigen Konfiguration (13) die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids zu einer stromabwärtigen Seite in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang zu. Somit kann die Kühleffizienz in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang, wo die Temperatur des Kühlfluids relativ hoch ist, verbessert werden.
    • (14) Bei einigen Ausführungsformen umfasst in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (13) der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite einer Strömung des Kühlfluids der Vielzahl der Kühldurchgängen positioniert ist, und die Turbinenschaufel umfasst ferner einen Kühlfluid-Zuführweg, der so angeordnet ist, dass er mit einem stromaufwärtigen Teil des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs kommuniziert und konfiguriert ist, um ein Kühlfluid von außen zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang zuzuführen, ohne über den Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu gehen. Mit der obigen Konfiguration (14) wird zusätzlich zu der Einströmung des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang das Kühlfluid von außen zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang über den Kühlfluid-Zuführweg zugeführt. Somit kann die Kühlung in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang, wo die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite relativ hoch ist, weiter verbessert werden.
    • (15) Bei einigen Ausführungsformen ist in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (14) die Turbinenschaufel eine Rotorschaufel für eine Gasturbine. Mit der obigen Konfiguration (15) ist es möglich, da die Rotorschaufel für die Gasturbine die Turbinenschaufel in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (14) aufweist, die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zum Kühlen der Rotorschaufel zugeführt wird, zu verringern, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Gasturbine zu verbessern.
    • (16) Bei einigen Ausführungsformen ist in irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (14) die Turbinenschaufel ein Statorflügel für eine Gasturbine. In der obigen Konfiguration (16) ist es möglich, da der Statorflügel für die Gasturbine als die Turbinenschaufel irgendeine der obigen Konfigurationen (1) bis (14) besitzt, die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zum Kühlen des Statorflügels zugeführt wird, zu verringern, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Gasturbine zu verbessern.
    • (17) Eine Gasturbine gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Turbinenschaufel gemäß irgendeiner der obigen Konfigurationen (1) bis (16) und einer Brennkammer zum Erzeugen eines Verbrennungsgases zur Strömung durch einen Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang, in der die Turbinenschaufel angeordnet ist.
  • Mit der obigen Konfiguration (17) kann, da die Turbinenschaufel irgendeine der obigen Konfigurationen (1) bis (16) aufweist, die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zum Kühlen der Turbinenschaufel zugeführt wird, verringert werden, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Gasturbine zu verbessern.
  • Vorteilhafte Wirkungen
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine Turbinenschaufel und eine Gasturbine vorgesehen, die einen Turbine effizient kühlen können.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Gasturbine, auf die eine Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform angewandt ist.
    • 2A ist eine Teil-Querschnittansicht einer Rotorschaufel (Turbinenschaufel) entlang einer Schaufel-Höhenrichtung gemäß einer Ausführungsform.
    • 2B ist eine Ansicht entlang der Linie IIB-IIB von 2A.
    • 3A ist eine Teil-Querschnittansicht der Rotorschaufel (Turbinenschaufel) entlang der Schaufel-Höhenrichtung gemäß einer Ausführungsform.
    • 3B ist eine Ansicht entlang der Linie IIIB-IIIB von 3A.
    • 4 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung der Konfiguration von Turbulatoren gemäß einer Ausführungsform.
    • 5 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung der Konfiguration der Turbulatoren gemäß einer Ausführungsform.
    • 6 ist eine schematische Querschnittansicht der Rotorschaufel (Turbinenschaufel) gemäß einer Ausführungsform.
    • 7 ist eine schematische Querschnittansicht der Rotorschaufel (Turbinenschaufel) gemäß einer Ausführungsform.
    • 8 ist eine schematische Querschnittansicht der Rotorschaufel (Turbinenschaufel) gemäß einer Ausführungsform.
    • 9 ist eine schematische Querschnittansicht der Rotorschaufel (Turbinenschaufel) gemäß einer Ausführungsform.
    • 10 ist eine schematische Querschnittansicht der Rotorschaufel (Turbinenschaufel) gemäß einer Ausführungsform.
    • 11 ist eine schematische Querschnittansicht eines Statorflügels (Turbinenschaufel) gemäß einer Ausführungsform.
    • 12 ist eine schematische Querschnittansicht der Rotorschaufel (Turbinenschaufel) gemäß einer Ausführungsform.
    • 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Korrelation zwischen einem Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α und einem Neigungswinkel θ der Turbulatoren zeigt.
    • 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Korrelation zwischen dem Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α und einem Formfaktor P/e der Turbulatoren zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Wenn nicht anders genau angegeben sollen jedoch Abmessungen, Materialien, Formen, Relativpositionen und dergleichen von bei den Ausführungsformen beschriebenen Komponenten oder in den Zeichnungen gezeigten Komponenten als illustrativ interpretiert werden, und nicht in dem Sinne, dass sie den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beschränken sollen.
  • Zunächst wird eine Gasturbine, auf welche die Turbinenschaufel gemäß einigen Ausführungsformen angewandt ist, beschrieben.
  • Die grundsätzliche Idee der vorliegenden Erfindung, die einigen Ausführungsformen, die später beschrieben werden, gemeinsam ist, wird im Folgenden beschrieben.
  • Da eine repräsentative Turbinenschaufel in einer Atmosphäre eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases angeordnet ist, wird das Innere eines Strömungsprofilkörpers mit einem Kühlfluid gekühlt, um eine thermische Beschädigung des Strömungsprofilkörpers aufgrund eines Verbrennungsgases zu verhindern. Der Strömungsprofilkörper wird durch Einströmenlassen des Kühlfluids in einen Serpentinen-Strömungsdurchgang, der in dem Strömungsprofilkörper ausgebildet ist, gekühlt. Um die Kühlleistung durch das Kühlfluid des Strömungsprofilkörpers zusätzlich zu verbessern, ist weiterhin ein Turbulenz-Förderungselement (Turbulator) an einer Schaufelinnenwand eines Durchgangs, durch den das Kühlfluid strömt, angeordnet. Es wird also ein optimaler Turbulator ausgewählt und ein Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Kühlfluid und der Schaufel-Innenwand wird soweit wie möglich verbessert, wodurch eine optimale Kühlstruktur des Strömungsprofilkörpers implementiert ist.
  • Um die thermische Effizient der Gasturbine weiter zu verbessern, kann die Strömungsrate des Kühlfluids aber eine weitere Reduzierung erfordern. Die Reduzierung der Strömungsrate des Kühlfluids bringt eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids mit sich, was in einer Verringerung der Kühlleistung des Strömungsprofilkörpers und einer Erhöhung einer Metalltemperatur des Strömungsprofilkörpers resultiert. Somit wird eine Maßnahme benötigt, um beispielsweise die Querschnittfläche des Durchgangs zu verringern und die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
  • Eine Kühlstruktur, bei der die Querschnittfläche des Durchgangs verringert ist und ein Turbulator mit dem höchsten Wärmeübertragungskoeffizienten angewandt ist, kann aber auch eine für die Schaufel ungeeignete Kühlstruktur sein, und eine Kühlstruktur, die für die Form und einen Betriebszustand der Schaufel geeignet ist, muss demnach ausgewählt werden. Wenn beispielsweise eine Kühlstruktur mit einer guten Kühlleistung bei einer Schaufel mit einer Schaufelform mit einer großen Schaufelhöhe (Spannweitenrichtung) relativ zu einer Schaufellänge (eine Länge in einer Sehnenrichtung), oder einer Schaufel, die auf eine Verbesserung der thermischen Effizienz der Gasturbine durch Verringern der Strömungsrate des Kühlfluids relativ zu einer Wärmelast abzielt, angewandt ist, wird das Kühlfluid im Verlauf erhitzt, wodurch das Kühlfluid durch den Serpentinen-Strömungsdurchgang strömt und eine Metalltemperatur eines letzten Durchgangs (ein am weitesten stromabwärtiger Durchgang) kann eine Wartungs-Temperaturgrenze übersteigen. Bei einer solchen Schaufel ist es wichtig, eine geeignete Kühlstruktur zu wählen, bei der eine Aufheizung verringert wird und die Metalltemperatur des letzten Durchgangs die Wartungs-Temperaturgrenze nicht übersteigt.
  • Genauer gesagt ist es wünschenswert, einen Turbulator auszuwählen, der einen Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen der Strömung des Kühlfluids und der Schaufeloberfläche hat, der für einen Turbulator eines Durchgangs einer stromaufwärtigen Seite an der stromaufwärtigen Seite des letzten Durchgangs niedrig gehalten ist, und um einen Turbulator mit dem höchsten Wärmeübertragungskoeffizient für einen Turbulator des letzten Durchgangs auszuwählen. Mit der oben beschriebenen Auswahl wird eine Aufheizung eines Kühlfluids, das durch den Durchgang der stromaufwärtigen Seite strömt, verringert und in dem Verlauf, bei dem das hinsichtlich der Aufheizung verringerte Kühlfluid durch den letzten Durchgang strömt, ist die Kühlleistung durch das Kühlfluid bezüglich dem Strömungsprofilkörper verbessert, indem ein Turbulator mit einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten eingesetzt ist. In Folge dessen kann die Metalltemperatur des letzten Durchgangs auf einem Wert nicht über der Wartungs-Temperaturgrenze gehalten werden. Außerdem hat das Halten des Wärmeübertragungskoeffizienten auf einem niedrigen Wert gemäß obiger Beschreibung eine Wirkung des Verringerns eines Druckverlustes des Kühlfluids. Daher ist unter Nutzung der mehrfachen Wirkungen der Wirkung des Verringerns des Aufheizens und des Effekts des Verringerns des Druckverlustes des Kühlfluids die Kühlleistung in dem letzten Durchgang maximiert.
  • Gemäß der Darstellung in den 4 und 5 sind Turbulatoren durch vorstehende Rippen ausgebildet, die an einer Schaufel-Innenwand angeordnet sind, die einen Kühlungsströmungsdurchgang bildet, wobei deren Details später zu beschreiben sind. Die Rippen sind in vorbestimmten Intervallen in einer Strömungsrichtung des Kühlfluids angeordnet. Wenn das Kühlfluid über die Rippen strömt, wird ein Wirbel an der stromabwärtigen Seite der Strömungsrichtung erzeugt, der die Wärmeübertragung zwischen der Schaufel-Innenwand und der Strömung des Kühlfluids fördert. Daher gibt es eine große Differenz hinsichtlich des Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen einer Schaufel-Innenwand mit einer glatten Oberfläche ohne jedwede Rippe und einer Schaufel-Innenwand mit den Rippen.
  • Faktoren, die die Leistung und die Spezifikationen der Turbulatoren definieren, sind Neigungswinkel und Formfaktoren der Turbulatoren.
  • 13 zeigt eine Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Turbulatoren und dem Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Kühlfluid und der Schaufel-Innenwand, und 14 zeigt eine Beziehung zwischen dem Formfaktor der Turbulatoren und dem Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Kühlfluid und der Schaufel-Innenwand, deren Details später zu beschreiben sind. Wenn die Turbulatoren den Neigungswinkel, der ein optimaler Winkel (Optimalwert) ist, und den Formfaktor, der ebenfalls ein optimaler Faktor (Optimalwert) ist, haben, werden der höchste Wärmeübertragungskoeffizient und die beste Kühlleistung erzielt. In Folge dessen wird die Kühlung der Schaufel-Innenwandoberfläche verbessert oder gefördert, wodurch es möglich ist, die Metalltemperatur des Kühlungsströmungsdurchgangs zu verringern. Wenn andererseits Turbulatoren ausgewählt werden, die den Neigungswinkel, der ein Zwischenwinkel (Zwischenwert) ist, der größer ist als der Optimalwert, und die den Formfaktor, der ebenfalls ein Zwischenfaktor (Zwischenwert) ist, der größer ist als der Optimalwert, haben, ist der Wärmeübertragungskoeffizient geringer und die Kühlleistung ist im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Optimalwerte des Neigungswinkels und des Formfaktors angewandt werden, verringert.
  • Gemäß obiger Beschreibung kann, in Abhängigkeit von der Schaufelform und den Betriebsbedingungen, das Anwenden einer Schaufelstruktur mit einer Kühlstruktur, bei der die Kühlleistung in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite verringert ist und die Kühlleistung in dem finalen oder letzten Durchgang maximiert ist, gegenüber einer Auswahl von Turbulatoren mit dem höchsten Wärmeübertragungskoeffizienten und einer guten Kühlleistung als eine Kühlstruktur einer gesamten Schaufel geeignet sein. Eine spezifische Schaufelkonfiguration in Verbindung mit der oben beschriebenen Idee wird im Folgenden mit Bezug auf eine Schaufelkonfiguration von jeder der später beschriebenen Ausführungsformen erläutert. Bei der Kühlstruktur von jeder der Ausführungsformen, die im Folgenden beschrieben werden, haben die Turbulatorspezifikationen des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite eine Konfiguration, die gemäß den jeweiligen Ausführungsformen variiert. Die den jeweiligen Ausführungsformen gemeinsame Konfiguration ist jedoch die, dass die optimalen Werte für sowohl den Neigungswinkel als auch den Formfaktor der Turbulatoren in dem letzten Durchgang gewählt werden.
  • Bei der Ausführungsform von 6 sind Neigungswinkel ausgewählt, in denen die Neigungswinkel der Turbulatoren optimale Werte für alle Durchgänge sind. Hinsichtlich des Formfaktors wird der optimale Wert in dem letzten Durchgang gewählt, und der Zwischenwert wird in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite an der stromaufwärtigen Seite des letzten Durchgangs gewählt. Mit einer solchen Kühlstruktur kann eine Aufheizung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite verringert werden. Andererseits wird verhindert, da der Strömungsprofilkörper im Verlauf ausreichend gekühlt wird, bei dem das Kühlfluid durch den letzten Durchgang mit der hohen Kühlleistung strömt, dass die Metalltemperatur der Schaufel-Innenwand ansteigt und die Wartungs-Temperaturgrenze übersteigt.
  • Die in 7 gezeigte Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem die Kühlleistung des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite relativ zu der Kühlstruktur in 6 weiter verringert ist. Das bedeutet, dass die Ausführungsform von 7 ein Beispiel ist, bei dem der Zwischenwinkel (Zwischenwert), der größer ist als der optimale Winkel (Optimalwert) für den Neigungswinkel der Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite gewählt ist, im Vergleich zu der Kühlstruktur von 6. Eine Differenz wird hinsichtlich einer Kühlkapazität des letzten Durchgangs in einem Fall erzeugt, bei dem die Metalltemperatur des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite die Wartungs-Temperaturgrenze nicht übersteigt, selbst wenn der Wärmeübertragungskoeffizient des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite im Vergleich zu der Kühlstruktur von 6 weiter verringert ist. Somit besitzt die Ausführungsform von 7 einen weiteren Vorteil gegenüber der Kühlstruktur von 6 hinsichtlich der Kühlkapazität des letzten Durchgangs. Bei der Kühlstruktur von 7 ist demnach der Zwischenwert gewählt, bei dem die Neigungswinkel der Turbulatoren in allen Durchgängen der stromaufwärtigen Seite an der stromaufwärtigen Seite des letzten Durchgangs größer sind als der Neigungswinkel (Optimalwert) der Turbulatoren in dem letzten Durchgang. Unterschiedliche Zwischenwerte werden aber für die Neigungswinkel in den jeweiligen Durchgängen gewählt. Die Auswahl erfolgt so, dass der Neigungswinkel der Turbulatoren in dem am weitesten stromaufwärtigen Durchgang der Durchgänge der stromaufwärtigen Seite kleiner ist als 90 Grad, und die Neigungswinkel der Turbulatoren in den jeweiligen Durchgängen der stromaufwärtigen Seite nehmen allmählich ab hin zu dem letzten Durchgang. Hinsichtlich des Formfaktors der Turbulatoren wird in den Durchgängen der stromaufwärtigen Seite derselbe Zwischenwert gewählt und der optimale Wert wird in dem letzten Durchgang ausgewählt, genauso wie bei der Konfiguration der Kühlstruktur von 6. Mit einer solchen Kühlstruktur wird im Vergleich zu der Kühlstruktur von 6 die Kühlung in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite verringert, die Temperatur des Kühlfluids im Vergleich zu der Struktur von 6 wird verringert und die Differenz (engl. „margin“) hinsichtlich der Kühlkapazität in dem letzten Durchgang wird erzeugt. Daher kann die Kühlleistung allmählich gesteigert werden, während die Erwärmung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite verringert ist, wodurch es möglich ist, einen Mangel an Kühlkapazität in dem letzten Durchgang zu kompensieren.
  • Die in 8 gezeigte Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem die Kühlleistung des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite relativ zu der Kühlstruktur von 7 weiter verringert ist. Mit der Kühlstruktur von 8 kann damit genauso eine weitere Differenz in der Kühlkapazität des letztens Durchgangs in dem Fall erzeugt werden, bei dem die Metalltemperatur des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite die Wartungs-Temperaturgrenze nicht übersteigt. Bei der in 8 gezeigten Kühlstruktur beträgt der Neigungswinkel der Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite 90 Grad über der Platte und nur der Neigungswinkel der Turbulatoren in dem letzten Durchgang besitzt den optimalen Wert. Hinsichtlich des Formfaktors der Turbulatoren wird in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite der Zwischenwert gewählt, und der optimale Wert wird in dem letzten Durchgang gewählt, genauso wie bei der Konfiguration der Kühlungsstruktur von 6. Mit einer solchen Kühlstruktur kann die Aufheizung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite im Vergleich zu der Kühlstruktur von 7 weiter verringert werden. Daher ist eine Einströmtemperatur des dem letzten Durchgang zugeführten Kühlfluids weiter niedriger als bei der Struktur von 7. In dem Verlauf, bei dem das Kühlfluid durch den letzten Durchgang strömt, wird der letzte Durchgang im Vergleich zu der Struktur von 7 einfacher gekühlt, der Anstieg der Metalltemperatur der Schaufel-Innenwand wird verringert, und die Metalltemperatur des letzten Durchgangs kann innerhalb der Wartungs-Temperaturgrenze gehalten werden.
  • Bei der Ausführungsform von 9 ist die Kühlleistung des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite im Vergleich zu der Kühlstruktur von 8 weiter verringert. Die bei der vorliegenden Ausführungsform gezeigte Schaufelkonfiguration ist demnach so, dass kein Turbulator in dem am weitesten stromaufwärtigen Durchgang in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite angeordnet ist, und eine Strömungsdurchgangs-Innenwand ist durch eine glatte oder flache beziehungsweise ebenmäßige Oberfläche gebildet. Eine Aufheizung des Kühlfluids wird weiter verringert und eine weitere Differenz wird hinsichtlich der Kühlkapazität des letzten Durchgangs erzeugt, wenn die Metalltemperatur des am weitesten stromaufwärtigen Durchgangs geringer ist als die Wartungs-Temperaturgrenze, selbst in dem Fall der glatten Oberfläche ohne jegliche Turbulatoren. Bei der Struktur von 9 ist demnach der am weitesten stromaufwärtige Durchgang durch die glatte oder ebenmäßige Oberfläche gebildet, der Zwischenwert wird für die Neigungswinkel der Turbulatoren in den anderen Durchgängen der stromaufwärtigen Seite mit Ausnahme des am weitesten stromaufwärtigen Durchgangs gewählt, und der Zwischenwert mit derselben Konfiguration wie in 8 ist für den Formfaktor der Turbulatoren ausgewählt. Der Neigungswinkel und der Formfaktor der Turbulatoren in dem letzten Durchgang sind dieselben wie bei der Konfiguration von 6. Mit einer solchen Kühlstruktur kann eine Aufheizung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite im Vergleich zu der Kühlstruktur von 8 weiter verringert werden. Darüber hinaus wird eine Differenz hinsichtlich der Kühlkapazität des Kühlfluids in dem letzten Durchgang erzeugt und der letzte Durchgang wird einfacher gekühlt.
  • Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform ist die Kühlleistung des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite im Verlgeich zu der Kühlstruktur von 9 weiter verringert. Die Ausführungsform von 10 hat mit der Ausführungsform von 9 gemeinsam, dass der am weitesten stromaufwärtige Durchgang durch die glatte oder ebenmäßige Oberfläche gebildet ist und keine Turbulatoren aufweist. Die Ausführungsform von 10 unterscheidet sich aber von der Kühlstruktur von 9 darin, dass die Neigungswinkel der Turbulatoren in anderen zwei angrenzenden Durchgängen der stromaufwärtigen Seite nachfolgend zu dem am weitesten stromaufwärtigen Durchgang 90 Grad betragen. Der Neigungswinkel der Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite angrenzend an den letzten Durchgang ist derselbe wie der bei der Struktur von 9. Außerdem sind der Neigungswinkel und der Formfaktor in dem letzten Durchgang dieselben wie die bei der Konfiguration von 6. In dem Fall einer solchen Kühlstruktur kann eine Aufheizung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite verringert werden und eine weitere Differenz wird hinsichtlich der Kühlkapazität des letzten Durchgangs erzeugt, wenn die Metalltemperatur des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite die Wartungs-Temperaturgrenze nicht übersteigt. Mit der in 10 gezeigten Kühlstruktur wird der letzte Kühldurchgang einfacher gekühlt, der Anstieg der Metalltemperatur der Schaufel-Innenwand des letzten Durchgangs wird verringert, und die Metalltemperatur kann innerhalb der Wartungs-Temperaturgrenze gehalten werden.
  • Die in 11 gezeigte Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem eine grundsätzliche Idee der vorliegenden Erfindung auf einen Statorflügel oder eine Statorschaufel angewandt ist. In dem Fall des Statorflügels ist ein Einlass für das Kühlfluid, das dem Serpentinen-Strömungsdurchgang zugeführt wird, radial auswärts von dem Strömungsprofilkörper angeordnet, und die radiale Strömungsrichtung des durch den letzten Durchgang strömenden Kühlfluids ist entgegensetzt zu der von der Rotorschaufel. Der Neigungswinkel und der Formfaktor der Turbulatoren haben aber dieselbe Konfiguration wie in 6. Auch mit einer solchen Kühlstruktur wird, im Vergleich zu der Schaufelkonfiguration, bei der die optimalen Werte als Neigungswinkel und Formfaktor der Turbulatoren gewählt sind, eine Aufheizung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite verringert und in dem Verlauf, in dem das Kühlfluid durch den letzten Durchgang strömt, wird der Anstieg der Metalltemperatur der Schaufel-Innenwand verringert und die Metalltemperatur kann innerhalb der Wartungs-Temperaturgrenze gehalten werden.
  • Gemäß obiger Beschreibung wird durch Auswählen der geeigneten Turbulatorenspezifikationen, die für die Schaufelform und die Betriebsbedingungen geeignet sind, eine Aufheizung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite verringert, der Anstieg der Metalltemperatur des Strömungsprofilkörpers in dem Letzen Durchgang wird verringert und die Gasturbine kann effizient gekühlt werden. Spezifische Inhalte der jeweiligen Inhalte der Ausführungsformen werden im Folgenden detailliert beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Konfigurationsansicht der Gasturbine, auf die die Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform angewandt ist. Gemäß der Darstellung in 1 umfasst eine Gasturbine 1 einen Kompressor 2 zum Erzeugen von komprimierter Lust, eine Brennkammer 4 zum jeweiligen Erzeugen eines Verbrennungsgases aus der komprimierten Luft und Brennstoff, und eine Turbine 6, die konfiguriert ist, um durch das Verbrennungsgas zur Drehung angetrieben zu werden. In dem Fall der Gasturbine 1 zur Stromerzeugung ist ein Generator (nicht gezeigt) mit der Turbine 6 verbunden.
  • Der Kompressor 2 umfasst eine Vielzahl von Startorschaufeln oder Statorflügeln 16, die an der Seite eines Kompressorgehäuses 10 befestigt sind, und eine Vielzahl von Rotorschaufeln 18, die an einem Rotor 8 so angesetzt sind, dass sie abwechselnd bezüglich den Statorflügeln 16 angeordnet sind.
  • Ansaugluft von dem Lufteinlass 12 wird zu dem Kompressor 2 geschickt und passiert die Vielzahl von Statorflügeln 16 und die Vielzahl von Rotorschaufeln 18, um komprimiert zu werden und um in komprimierte Luft mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck umgewandelt zu werden.
  • Jeder der Brennkammern 4 wird Brennstoff und die durch den Kompressor 2 komprimierte Luft zugeführt. In jeder der Brennkammern 4 werden der Brennstoff und die komprimierte Luft gemischt und verbrannt, um das Verbrennungsgas zu erzeugen, das als Arbeitsfluid der Turbine 6 dient. Gemäß der Darstellung in 1 kann eine Vielzahl von Brennkammern 4 um den Umfang in dem Gehäuse 20 um den Rotor zentriert angeordnet sein.
  • Die Turbine 6 umfasst einen Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang 28, der in einem Turbinengehäuse 22 gebildet ist, und umfasst eine Vielzahl von Statorflügeln 24 und Rotorschaufeln 26, die in dem Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang 28 angeordnet sind.
  • Jeder der Statorflügel 24 ist an der Seite des Turbinengehäuses 22 befestigt. Die Vielzahl von Statorflügeln 24, die entlang der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet sind, bilden eine Statorflügelreihe. Jede der Rotorschaufeln 26 ist an dem Rotor 8 angesetzt. Die Vielzahl von Rotorschaufeln 26, die entlang der Umfangsrichtung des Rotors 8 angeordnet sind, bilden eine Rotorschaufelreihe. Die Statorflügelreihe und die Rotorschaufelreihe sind abwechselnd in der Axialrichtung des Rotors 8 angeordnet.
  • In der Turbine 6 passiert das in den Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang 28 von den Brennkammern 4 einströmende Verbrennungsgas die Vielzahl von Statorflügeln 24 und die Vielzahl von Rotorschaufeln 26 und treibt den Rotor 8 zur Drehung an. Folglich wird der mit dem Rotor 8 verbundene Generator zur Erzeugung von Strom angetrieben. Das Verbrennungsgas, das die Turbine 6 eingetrieben hat, wird über eine Abgaskammer 30 nach Außen ausgetragen.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind zumindest die Rotorschaufeln 26 oder die Statorflügel 24 der Turbine 6 Turbinenschaufeln 40 gemäß folgender Beschreibung.
  • Im Folgenden wird eine Beschreibung hauptsächlich mit Bezug auf die Zeichnungen der Rotorschaufel 26 als die Turbinenschaufel 40 gegeben. Dieselbe Beschreibung ist grundsätzlich auf den Statorflügel 24 als Trubinenschaufel 40 genauso anwendbar.
  • 2A und 3A sind Teil-Querschnittansichten der Rotorschaufel 26 (Turbinenschaufel 40) entlang einer Schaufel-Höhenrichtung gemäß einer Ausführungsform. 2B und 3B sind Ansichten entlang der Linie IIIA-IIIA von 2A und entlang der Linie IIIB-IIIB. Pfeile in den Ansichten geben jeweils die Strömungsrichtung des Kühlfluids an.
  • Gemäß der Darstellung der 3A bis 3B umfasst die Rotorschaufel 26 als die Turbinenschaufel 40 gemäß einer Ausführungsform einen Strömungsprofilkörper 42, eine Plattform 80 und einen Schaufelfußabschnitt 82. Der Schaufelfußabschnitt 82 ist in dem Rotor 8 eingebettet (siehe 1). Die Rotorschaufel 26 rotiert zusammen mit dem Rotor 8. Die Plattform 80 ist integral mit dem Schaufelfußabschnitt 82 ausgebildet.
  • Der Strömungsprofilkörper 42 ist so angeordnet, dass er sich entlang der Radialrichtung des Rotors 8 erstreckt (was im Folgenden einfach als „Radialrichtung“ oder „Spannweitenrichtung“ bezeichnet wird), und besitzt eine Basis 50 (Endteil 1), die an der Plattform 80 befestigt ist, und ein Außenende 48 (Endteil 2), dass an einer Seite gegenüber der Basis 50 positioniert ist (radial auswärts) in der Schaufel-Höhenrichtung (der Radialrichtung des Rotors 8) und ist durch eine obere Platte 49, die die Oberseite des Strömungsprofilkörpers 42 bildet, gemacht.
  • Außerdem besitzt der Strömungsprofilkörper 42 der Rotorschaufel 26 eine Vorderkante 44 und eine Hinterkante 46 von der Basis 50 zu dem Außenende 48. Eine Strömungsprofiloberfläche des Strömungsprofilkörpers 42 besitzt eine Druckoberfläche (konkave Oberfläche) 56 und eine Saugoberfläche (konvexe Oberfläche) 58, die sich entlang der Schaufel-Höhenrichtung zwischen der Basis 50 und dem Außenende 48 erstrecken.
  • Der Strömungsprofilkörper 42 umfasst intern einen Kühlungsströmungsdurchgang zum Strömenlassen eines Kühlfluids (beispielsweise Luft) zum Kühlen der Turbinenschaufel 40. Bei den in 2A bis 3B gezeigten exemplarischen Ausführungsformen sind in dem Strömungsprofilkörper 42 ein Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 und ein Vorderkantenseiten-Strömungsdurchgang 36, der zwischen dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 und der Vorderkante 44 positioniert ist, als Kühlungsströmungsdurchgänge ausgebildet. Ein Kühlfluid von außen wird dem gefalteten Strömungsdurchgang 61 und dem Vorderkantenseiten-Strömungsdurchgang 36 jeweils über interne Strömungsdurchgänge 84, 35 zugeführt.
  • Durch Zuführen des Kühlfluids zu den Kühlungsströmungsdurchgängen wie dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 und dem Vorderkantenseiten-Strömungsdurchgang 36 wird somit der in dem Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang 28 der Turbine 6 angeordnete und dem Hochtemperatur-Verbrennungsgas ausgesetzte Strömungsprofilkörper 42 gekühlt.
  • Bei der Turbinenschaufel 40 umfasst der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 eine Vielzahl von Kühldurchgängen 60a, 60b, 60c,... (diese können im Folgenden zusammen als „Kühlungsdurchgänge 60“ bezeichnet werden), die sich jeweils entlang der Schaufel-Höhenrichtung erstrecken. Der Strömungsprofilkörper 42 der Turbinenschaufel 40 umfasst intern eine Vielzahl von Rippen 32 entlang der Schaufel-Höhenrichtung. Die benachbarten Kühldurchgänge 60 sind durch jeweilige der Rippen 32 unterteilt.
    Bei den in 2A und 2B gezeigten exemplarischen Ausführungsformen umfasst der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 die drei Kühldurchgänge 60a bis 60c. Die Kühldurchgänge 60a bis 60c sind in dieser Reihenfolge von der Seite der Vorderkante 44 zu der Seite der Hinterkante 46 angeordnet. Bei den in 3A und 3B gezeigten beispielhaften Ausführungsformen umfasst der gefaltete Strömungsdurchgang 61 die fünf Kühldurchgänge 60a bis 60e. Die Kühldurchgänge 60a bis 60e sind in dieser Reihenfolge von der Seite der Vorderkante 44 zu der Seite der Hinterkante 46 angeordnet.
  • Die einander benachbarten Kühldurchgänge (beispielsweise der Kühldurchgang 60a und der Kühldurchgang 60b) der Vielzahl der Kühldurchgänge 60, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 bilden, sind miteinander an der Seite des Außenendes 48 oder der Seite der Basis 50 verbunden. In dem Verbindungsteil ist ein Rückführungs-Strömungsdurchgang, bei dem die Strömungsrichtung des Kühlfluids umgekehrt in der Schaufel-Höhenrichtung gerichtet ist, ausgebildet, und der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 besitzt eine Serpentinenform in der Radialrichtung. Die Vielzahl der Kühldurchgänge 60 kommunizieren miteinander also zur Bildung des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61.
  • Die Vielzahl von Kühldurchgängen 60, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 bilden, umfasst einen am weitesten stromaufwärtigen Durchgang, der am weitesten stromaufwärts positioniert ist, und einen am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite der Vielzahl der Kühldurchgänge 60 positioniert ist. Bei den in 2A bis 3B gezeigten beispielhaften Ausführungsformen ist, von der Vielzahl der Kühldurchgänge 60, der Kühldurchgang 60a, der am nächsten bei der Vorderkante 44 positioniert ist, ein am weitesten stromaufwärtiger Durchgang 65, und der Kühldurchgang 60c (2A und 2B) oder der Kühldurchgang 60e (3A und 3B), der am nächsten bei der Hinterkante 46 positioniert ist, ist der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66.
  • In der Turbinenschaufel 40 mit dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 gemäß obiger Beschreibung wird das Kühlfluid beispielsweise in den am weitesten stromaufwärtigen Durchgang 65 des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 über den inneren Strömungsdurchgang 84, der im Inneren des Schaufelfußabschnitts 82 ausgebildet ist, und eine Einlassöffnung 62, die an der Seite der Basis 50 des Strömungsprofilkörpers 42 angeordnet ist, eingebracht (siehe 2A und 4A) und strömt sequenziell durch die Vielzahl von Kühldurchgängen 60 nach unten. Dann strömt das durch den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 an der am weitesten stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 strömende Kühlfluid über eine Auslassöffnung 64, die an der Seite des Außenendes 48 des Strömungsprofilkörpers 42 angeordnet ist, in den Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang 28 zur Außenseite der Turbinenschaufel 40 aus. Die Auslassöffnung 64 ist eine in der oberen Platte ausgebildete Öffnung. Das durch den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 strömende Kühlfluid wird teilweise von der Auslassöffnung 64 ausgetragen. Durch Vorsehen der Auslassöffnung 64 wird ein Stagnationsraum für das Kühlfluid in einem Raum der Umgebung der oberen Platte 49 des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66 gebildet, wodurch es möglich ist, eine Aufheizung der Innenwandoberfläche 63 der oberen Platte 49 zu verhindern.
  • Die Form des gefalteten Strömungsdurchgangs 61 ist nicht auf die in den 2A bis 3B gezeigten Formen begrenzt. Beispielsweise kann eine Vielzahl von gefalteten Strömungsdurchgängen im Inneren des Strömungsprofilkörpers 42 der einen Turbinenschaufel 40 ausgebildet sein. Alternativ kann der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 in einer Vielzahl von Strömungsdurchgängen an einem Verzweigungspunkt an dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 verzweigt sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind gemäß den Darstellungen in den 2A und 3A in einem Hinterkantenteil 47 (einem Teil enthaltend die Hinterkante 46) des Strömungsprofilkörpers 43 eine Vielzahl von Kühllöchern 70 so ausgebildet, dass sie entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind. Die Vielzahl von Kühllöchern 70 kommunizieren mit dem Kühldurchgang (dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 bei dem gezeigten Beispiel), der im Inneren des Strömungsprofilkörpers 42 ausgebildet ist, und sie öffnen sich zu einer Oberfläche in dem Hinterkantenteil 47 des Strömungsprofilkörpers 42.
  • Das durch den Kühldurchgang (dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 bei dem gezeigten Beispiel) strömende Kühlfluid passiert teilweise die Kühllöcher 70 und strömt zu dem Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang 28 zur Außenseite der Turbinenschaufel 40 von der Öffnung in dem Hinterkantenteil 47 des Strömungsprofilteils 42 aus. Da das Kühlfluid somit durch die Kühllöcher 70 passiert, wird eine Konvektionskühlung des Hinterkantenteils 47 des Strömungsprofilkörpers 42 ausgeführt.
  • Die rippenförmigen Turbulatoren 34 sind an zumindest einigen Innenwandoberflächen 63 der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 vorgesehen. Bei den in 2A bis 3B gezeigten beispielhaften Ausführungsformen sind die Vielzahl von Turbulatoren 34 an jeweiligen Innenwandoberflächen 63 der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 vorgesehen.
  • Die 4 und 5 sind schematische Ansichten, um jeweils die Konfiguration der Turbulatoren 34 gemäß einer Ausführungsform zu beschreiben. 4 ist eine schematische Ansicht eines Teil-Querschnitts entlang einer Ebene enthaltend die Schaufel-Höhenrichtung und eine Schaufel-Dickenrichtung (die Umfangsrichtung des Rotors 8) der Turbinenschaufel 40 von 2A bis 3B. 4 ist eine schematische Ansicht eines Teil-Querschnitts entlang einer Ebene enthaltend die Schaufel-Höhenrichtung und eine Schaufel-Breitenrichtung oder Schaufel-Querrichtung (die Axialrichtung des Rotors 8) der Turbinenschaufel 40 von 2A bis 3B.
  • Gemäß der Darstellung in 4 ist jeder der Turbulatoren 34 an der Innenwandoberfläche 63 des Kühldurchgangs 60 angeordnet, und ein Bezugszeichen „e“ bezeichnet eine Höhe von jedem der Turbulatoren 34 bezüglich der Innenwandoberfläche 63. Außerdem sind gemäß der Darstellung in 4 und 5 in dem Kühldurchgang 60 die Vielzahl von Turbulatoren 34 in einem Intervall einer Teilung bzw. eines Abstands P angeordnet. Außerdem ist gemäß der Darstellung in 5 ein Winkel, der einen spitzen Winkel (hier nachfolgend auch als ein „Neigungswinkel“ bezeichnet werden kann) zwischen jedem der Turbulatoren 34 und einer Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Kühldurchgang 60 bildet (ein Pfeil LF in 5), ein Neigungswinkel 9.
  • Das Vorsehen der oben beschriebenen Turbulatoren 34 in dem Kühldurchgang 60 fördert eine Turbulenz einer Strömung wie eine Bildung eines Wirbels in der Umgebung der Turbulatoren 34. Das über die Turbulatoren 34 strömende Kühlfluid bildet also einen Wirbel zwischen den angrenzenden Turbulatoren 34, die stromabwärts angeordnet sind. In der Umgebung einer Zwischenposition zwischen einander in der Strömungsrichtung des Kühlfluids benachbarten Turbulatoren 34 haftet also der Wirbel des Kühlfluids an der Innenwandoberfläche 63 des Kühldurchgangs 66 an, wodurch es möglich wird, den Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Kühlfluid und dem Strömungsprofilkörper 42 zu erhöhen und die Turbinenschaufel 40 effektiv zu kühlen. Ein Bildungszustand des Wirbels des Kühlfluids ändert sich aber in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel der Turbulatoren 34, sodass der Wärmeübertragungskoeffizient bezüglich der Schaufel-Innenwand beeinflusst wird. Wenn die Höhe der Turbulatoren im Vergleich zu dem Abstand oder der Teilung der Turbulatoren extrem hoch ist, kann der Wirbel nicht an der Innenwandoberfläche 63 anhaften. Daher existieren geeignete Bereiche zwischen dem Wärmeübertragungskoeffizienten und dem Neigungswinkel der Turbulatoren sowie dem Wärmeübertragungskoeffizienten und dem Verhältnis der Teilung bzw. des Abstands und der Höhe, was später beschrieben wird. Extrem hohe Turbulatoren können außerdem die Ursache für einen Anstieg des Druckverlusts in dem Kühlfluid sein.
  • Jede der 6 bis 10 und 12 ist eine schematische Querschnittansicht der Rotorschaufel 26 (Turbinenschaufel 40) gemäß einer Ausführungsform. Außerdem ist 11 eine schematische Querschnittansicht des Statorflügels 24 (Turbinenschaufel 40) gemäß einer Ausführungsform. Pfeile in den Zeichnungen bezeichnen jeweils die Strömungsrichtung des Kühlfluids.
  • Die Rotorschaufel 26 von 6, 10 und 12 hat dieselbe Konfiguration wie die oben beschriebene Rotorschaufel 26.
  • Der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61, der in der Turbinenschaufel 40 von 6 bis 12 gebildet ist, ist durch die fünf Kühldurchgänge 60a bis 60e gebildet. Von diesen Kühldurchgängen 60a bis 60e ist der Kühldurchgang 60, der am nächsten bei der Vorderkante 44 positioniert ist, der am weitesten stromaufwärtige Durchgang 65, und der Kühldurchgang 60e, der am nächsten bei der Hinterkante 46 positioniert ist, ist der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66.
  • Im Folgenden wird die Konfiguration des Statorflügels 24 (Turbinenschaufel 40) gemäß einer Ausführungsform mit Bezug auf 11 bschrieben, bevor die Eigenschaften der Turbulatoren 34 in der Turbinenschaufel 40 gemäß einiger Ausführungsformen mit Bezug auf 2A bis 3B und 6 bis 12 beschrieben werden.
  • Gemäß der Darstellung in 11 umfasst der Statorflügel 24 (Turbinenschaufel 40) gemäß einer Ausführungsform den Strömungsprofilkörper 43, einen inneren Deckring (engl.: „shroud“) 86, der radial einwärts bezüglich dem Strömungsprofilkörper 42 positioniert ist, und einen äußeren Deckring 88, der radial auswärts bezüglich dem Strömungsprofilkörpers 42 positioniert ist. Der äußere Deckring 88 ist durch das Turbinengehäuse 22 getragen (siehe 1), und der Statorflügel 24 ist durch das Turbinengehäuse 22 über den äußeren Deckring 88 getragen. Der Strömungsprofilkörper 42 besitzt ein äußeres Ende 52, das an der Seite des äußeren Deckrings 88 positioniert ist (das heißt radial auswärts) und ein inneres Ende 54, das an der Seite des inneren Deckrings 86 positioniert ist (das heißt radial einwärts).
  • Der Strömungsprofilkörper 42 des Statorflügels 24 besitzt die Vorderkante 44 und die Hinterkante 46 von dem äußeren Ende 52 zu dem inneren Ende 54. Eine Strömungsprofiloberfläche des Strömungsprofilkörpers 42 hat die Druckoberfläche (konkave Oberfläche) 56 und die Saugoberfläche (konvexe Oberfläche) 58, die sich entlang der Schaufel-Höhenrichtung zwischen dem äußeren Ende 52 und dem inneren Ende 54 erstecken.
  • Der durch die Vielzahl von Kühldurchgängen 60 gebildete Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 ist im Inneren des Strömungsprofilkörpers 42 des Statorflügels 24 gebildet. Der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 besitzt dieselbe Konfiguration wie der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 in der oben beschriebenen Rotorschaufel 26. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 11 ist der Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 durch die fünf Kühldurchgänge 60a bis 60e gebildet.
  • In dem in 11 gezeigten Statorflügel 24 (Turbinenschaufel 40) wird das Kühlfluid in den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 über einen inneren Strömungsdurchgang (nicht gezeigt), der im Inneren des äußeren Deckrings 88 ausgebildet ist, und die Einlassöffnung 62, die in der Seite des äußeren Ende 52 des Strömungsprofilkörpers 42 angeordnet ist, eingebracht und strömt sequenziell durch die Vielzahl von Kühldurchgängen 60 nach unten. Dann strömt das Kühlfluid, das durch den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 an der am weitesten stromabwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 strömt, zu dem Verbrennugnsgas-Strömungsdurchgang 28 außerhalb des Statorflügels 24 (Turbinenschaufel 40) über die Auslassöffnung 64, die an der Seite des inneren Endes 54 (an der Seite des inneren Deckrings 86) des Strömungsprofilkörpers 42 angeordnet ist, aus, oder wird von den Kühllöchern 70 des Hinterkantenteils 47, das später beschrieben wird, in das Verbrennungsgas ausgetragen.
  • In dem Statorflügel 24 sind die oben beschriebenen Turbulatoren 34 an zumindest einigen Innenwandoberflächen der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 vorgesehen. Bei der in 11 gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind die Vielzahl von Turbulatoren 34 an den jeweiligen Innenwandoberflächen der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 vorgesehen.
  • In dem Statorflügel 24 kann in dem Hinterkantenteil 47 des Strömungsprofilkörpers 42 die Vielzahl von Kühllöchern 70 so ausgebildet sein, dass sie in der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind.
  • Die Eigenschaften der Turbulatoren 34 in der Turbinenschaufel 40 gemäß einigen Ausführungsformen wird nun in Bezug auf 2A bis 2B und 6 bis 12 beschrieben.
  • Bei der Turbinenschaufel 40 von 6 bis 12 sind θa, θb, θc, θd und θe Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den jeweiligen Kühldurchgängen 60a bis 60e, Pa, Pb, Pc, Pd und Pe sind Teilungen oder Abstände der benachbarten Turbulatoren 34 in den jeweiligen Druchgängen, nämlich den Kühldurchgängen 60a bis 60e, und ea, eb, ec, ed und ee sind Höhen (oder Durchschnittshöhen) der benachbarten Turbulatoren 34 in den jeweiligen Durchgängen.
  • In der in 6 gezeigten Rotorschaufel 26 erfüllen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e θa=θb=θc=θd=θe (<90 Grad), und die Teilungen oder Abstände der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e erfüllen Pa=Pb=Pc=Pd>Pe.
  • In der in 7 gezeigten Rotorschaufel 26 erfüllen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e θa(=90 Grad)>θb>θc>θd>θe, und die Teilungen oder Abstände der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e erfüllen Pa=Pb=Pc=Pd>Pe.
  • In der 8 gezeigten Rotorschaufel 26 und dem in 11 gezeigten Statorflügel 24 erfüllen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e θa=θb=θc=θd(=90 Grad)> θe, und die Teilungen oder Abstände der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e erfüllen Pa=Pb=Pc=Pd>Pe.
  • In der 9 gezeigten Rotorschaufel 26 erfüllen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e (90 Grad>) θb=θc>θd>θe, und die Teilungen oder Abstände der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e erfüllen Pb=Pc=Pd>Pe.
  • In der in 10 gezeigten Rotorschaufel 26 erfüllen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e θb=θc(=90 Grad)>θd=θe, und die Teilungen oder Abstände der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e erfüllen Pb=Pc=Pd>Pe.
  • In der in 12 gezeigten Rotorschaufel 26 erfüllen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e θa=θb=θc=θd=θe (<90 Grad). Die Teilungen oder Abstände der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e der Rotorschaufel 26 von 12 werden später beschrieben.
  • Der Kühldurchgang 60a der Rotorschaufel 26 von 9 und 10 ist nicht mit Turbulatoren 34 versehen, und die Innenwandoberfläche des Kühldurchgangs 60a ist durch die glatte oder ebenmäßige Oberfläche gebildet.
  • In einigen Ausführungsformen sind die rippenförmigen ersten Turbulatoren (Turbulatoren 34) und die rippenförmigen zweiten Turbulatoren (Turbulatoren 34) vorgesehen. Die rippenförmigen ersten Turbulatoren 34 (Turbulatoren 34) sind an der Innenwandoberfläche des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 angeordnet. Die rippenförmigen zweiten Turbulatoren (Turbulatoren 34) sind an der Innenwandoberfläche eines Durchgangs der stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 angeordnet, wobei die rippenförmigen zweiten Turbulatoren (Turbulatoren 34) an der stromabwärtigen Seite des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite in dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 positioniert sind. Sodann sind zweite Winkel θ2 (Neigungswinkel), die durch die zweiten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite gebildet sind, kleiner als erste Winkel 91 (Neigungswinkel), die durch die ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite gebildet sind.
  • Die Vielzahl von Kühldurchgängen 60 umfassen demnach den Durchgang der stromaufwärtigen Seite, der mit den ersten Turbulatoren mit dem Neigungswinkel der ersten Winkel 91 versehen ist, und den Durchgang der stromabwärtigen Seite, der mit den zweiten Turbulatoren mit den Neigungswinkel der zweiten Winkel 92, die kleiner sind als die ersten Winkel 91, versehen ist.
  • Die Turbinenschaufel 40 (Rotorschaufel 26 oder Statorflügel 24), die in jeder von 7 und 8 und 9 bis 11 gezeigt ist, ist die Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Beispielsweise erfüllen in der Rotorschaufel 26 von 8 und dem Statorflügel 24 von 11 die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e θa=θb=θc=θd<θe. Somit sind die Kühldurchgänge 60a bis 60d, in denen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 θa bis θd (erste Winkel 91) sind, die oben beschriebenen Durchgänge der stromaufwärtige Seite, und der Kühldurchgang 60e (das heißt der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66), in dem der Neigungswinkel der Turbulatoren 34 θe (zweiter Winkel θ2) ist, der kleiner ist als die ersten Winkel 91, ist der oben beschriebene Durchgang der stromabwärtigen Seite.
  • Darüber hinaus erfüllen beispielsweise in der Rotorschaufel 26 von 9 die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60a bis 60e θb=θc>θd>θe. Somit ist der Kühldurchgang 60b, in dem der Neigungswinkel der Turbulatoren 34 θb (erster Winkel 91) ist, der oben beschriebene Durchgang der stromaufwärtigen Seite, und die Kühldurchgänge 60b und 60d, in denen die Neigungswinkel der Turbulatoren 34 θd und θc (zweite Winkel θ2) sind, die kleiner sind als der erste Winkel 91, sind die oben beschriebenen Durchgänge der stromabwärtigen Seite. Vorausgesetzt, dass der Kühldurchgang 60c der Durchgang der stromaufwärtigen Seite ist, bei dem der Neigungswinkel der erste Winkel 91 (θc) ist, dann sind die Kühldurchgänge 60d und 60e die Durchgänge der stromabwärtigen Seite, bei denen die Neigungswinkel die zweiten Winkel θ2 (<θ1) sind. Vorausgesetzt, dass der Kühldurchgang 60d der Durchgang der stromaufwärtigen Seite ist, bei dem der Neigungswinkel der erste Winkel 91 (θd) ist, dann ist der Kühldurchgang 60e der Durchgang der stromabwärtigen Seite, in dem die Neigungswinkel die zweiten Winkel θ2 (<θ1) sind.
  • Der „Durchgang der stromaufwärtigen Seite“ und der „Durchgang der stromabwärtigen Seite“ sollen die relative Positionsbeziehung zwischen den zwei Kühldurchgängen 60 der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 angeben.
  • Die 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Korrelation zwischen einem Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α und dem Neigungswinkel θ der Turbulatoren angibt. Man beachte, dass das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α ein Verhältnis h/h0 eines Wärmeübertragungskoeffizienten h zwischen der Turbinenschaufel und dem Kühlfluid in dem Kühldurchgang, der die Turbulatoren an der Innenwandoberfläche davon enthält, und einem Wärmeübertragungskoeffizient h0 zwischen der Turbinenschaufel und dem Kühlfluid in dem Kühldurchgang ohne jegliche Turbulatoren darin, bei dem die Innenwandoberfläche durch eine glatte oder gleichmäßige Oberfläche gebildet ist, ist.
  • Gemäß der Darstellung in 13 tendiert, in einem Bereich, wo der Neigungswinkel θ der Turbulatoren 34 in dem Kühldurchgang 60 weniger als 90 Grad beträgt, das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel 40 dazu, hoch zu sein, wenn der Neigungswinkel 9 klein ist. Wenn die Innenwandoberfläche des Kühldurchgangs durch die glatte oder gleichmäßige Oberfläche gebildet ist, hängt der Wärmeübertragungskoeffizient h0 nicht von dem Neigungswinkel der Turbulatoren 34 ab, sondern ist eine Konstante. Das hohe Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α (=h/h0) bedeutet, dass der Wärmeübertragungskoeffizient h zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel hoch ist. In dem Bereich, wo der Neigungswinkel θ der Turbulatoren 34 in dem Kühldurchgang 60 weniger als 90 Grad beträgt, tendiert der Wärmeübertragungskoeffizient h zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel 40 dazu, hoch zu sein, wenn der Neigungswinkel 9 klein ist. Wenn der Neigungswinkel θ der Turbulatoren 34 andererseits zunimmt, nimmt der Druckverlust des Kühlfluids, das durch den Durchgang strömt, ab. Es ist daher wichtig, die Neigungswinkel θ der Turbulatoren 34 auszuwählen, während eine Balance zwischen dem Anstieg des Wärmeübertragungskoeffizienten h und dem Anstieg des Druckverlusts, der durch eine Verringerung des Neigungswinkel 9 erhalten wird, getroffen wird. Bei dem Neigungswinkel 9 existiert gemäß der Darstellung in 13 ein optimaler Winkel, bei dem das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α am höchsten ist. Der oben beschriebene Neigungswinkel θ wird als ein optimaler Winkel (Optimalwert) aus Gründen der Vereinfachung bezeichnet. Ein Beispiel des optimalen Winkels ist 60 Grad. Ein Neigungswinkel, der größer ist als der optimale Winkel und der kleiner ist als 90 Grad, und bei dem der Wärmeübertragungskoeffizient kleiner ist als das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α bei dem optimalen Winkel wird als ein Zwischenwinkel (Zwischenwert) bezeichnet.
  • In dieser Hinsicht sind bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Neigungswinkel (zweite Winkel θ2) der zweiten Turbulatoren in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite kleiner als die Neigungswinkel (erste Winklel 91) der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgang 61. In diesem Fall wird der optimale Winkel (Optimalwert) für die Neigungswinkel (zweite Winkel θ2) der zweiten Turbulatoren gewählt, und der Zwischenwinkel (Zwischenwert) wird für die Neigungswinkel (erste Winkel 91) der ersten Turbulatoren gewählt. Der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) ist somit relativ niedrig in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite, und die Kühlung der Turbinenschaufel 40 ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu halten. Andererseits ist der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) relativ hoch in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite, und die Kühlung der Turbinenschaufel 40 wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel 40 in einem Bereich einer stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 zu verbessern. Damit kann die Menge des Kühlfluids, dass dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 zum Kühlen der Turbinenschaufel 40 zugeführt wird, verringert werden, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Turbine 6 zu verbessern.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist der Durchschnitt der zweiten Winkel θ2 der Vielzahl von zweiten Turbulatoren (Turbulatoren 34) kleiner als der Durchschnitt der ersten Winkel 91 der Vielzahl von ersten Turbulatoren (Turbulatoren 34) .
  • In diesem Fall kann aus demselben Grund wie oben beschrieben die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig gehalten werden, und das Kühlen der Turbinenschaufel 40 in dem Bereich der stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs verbessert werden. Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 zum Kühlen der Turbinenschaufel 40 zugeführt wird, verringert werden, wodurch die thermische Effizienz der Turbine 6 verbessert werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen, beispielsweise gemäß den Darstellungen in 7, 8, 10 und 11, umfasst die Turbinenschaufel 40 die ersten Turbulatoren (Turbulatoren 34), die an dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind und den ersten Winkel 91 von 90 Grad haben.
  • Der Kühldurchgang 60a in 7, einer der Kühldurchgänge 60a bis 60d in 8, der Kühldurchgang 60b oder 60c in 10, oder einer von 60a bis 60d in 11 kann der Durchgang der stromaufwärtigen Seite sein, der die ersten Turbulatoren (Turbulatoren 34) mit dem ersten Winkel 91 von 90 Grad hat, und zumindest der eine Kühldurchgang 60, der an der stromabwärtigen Seite der jeweiligen Durchgänge der stromaufwärtigen Seite positioniert ist, kann der Durchgang der stromabwärtigen Seite sein.
  • In dem Bereich, wo der Neigungswinkel θ der Turbulatoren 34 in den Kühldurchgängen 60 90 Grad oder weniger als 90 Grad beträgt, kann gemäß obiger Beschreibung der Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel 40 in Tendenz hoch sein, wenn der Neigungswinkel 9 klein ist. In dieser Hinsicht ist bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Neigungswinkel (erster Winkel θ1) der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite 90 Grad, und die Neigungswinkel (zweiter Winkel θ2) der zweiten Turbulatoren in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite ist weniger als 90 Grad. Daher kann die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig gehalten werden, und die Kühlung der Turbinenschaufel 40 in dem Bereich der stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 kann verbessert sein. Daher kann die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 zum Kühlen der Turbinenschaufel 40 zuzuführen ist, verringert werden, wodurch die thermische Effizienz der Gasturbine 1 verbessert werden kann.
  • Hierbei ist in dem Kühldurchgang 60 ein Verhältnis P/e der Teilung bzw. des Abstands P des benachbarten Paars von Turbulatoren 34 (siehe 4 und 5) zu der Höhe e der Turbulatoren 34 (oder der Durchschnittshöhe e) des Paars von Turbulatoren 34 bezüglich der Innenwandoberfläche 63 des Kühldurchgangs 60 als der Formfaktor definiert.
  • In einigen Ausführungsformen ist ein zweiter Formfaktor P2/e2 der Vielzahl von zweiten Turbulatoren (Turbulatoren 34), die in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite angeordnet sind, kleiner als ein erster Formfaktor P1/e1 der Vielzahl von ersten Turbulatoren (Turbulatoren 34), die in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind.
  • Man beachte, dass der erste Formfaktor P1/e1 das Verhältnis P1/e1 einer Teilung bzw. eines Abstands P1 des benachbarten Paars der Vielzahl von ersten Turbulatoren (Turbulatoren 34) zu einer Höhe e1 der ersten Turbulatoren (oder der Durchschnittshöhe e1 des Paars von ersten Turbulatoren) ist. Der zweite Formfaktor P2/e2 ist das Verhältnis P2/e2 einer Teilung bzw. eines Abstands P2 des benachbarten Paars der Vielzahl von zweiten Turbulatoren (Turbulatoren 34) zu einer Höhe e2 der zweiten Turbulatoren (oder der Durchschnittshöhe e2 des Paars von zweiten Turbulatoren).
  • Die in jeder der 6 bis 12 gezeigte Turbinenschaufel 40 (die Rotorschaufel 26 oder der Statorflügel 24) ist die Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Beispielsweise ist in der Rotorschaufel 26 oder dem Statorflügel 24 von 6 bis 8 und 11 ein Formfaktor Pe/ee in dem Kühldurchgang 60e kleiner als Formfaktoren (Pa/ea bis Pd/ed) in den Kühldurchgängen 60a bis 60d, die an der stromaufwärtigen Seite des Kühldurchgangs 60e positioniert sind.
  • Alternativ ist in der Rotorschaufel von 9 und 10 der Formfaktor Pe/ee in dem Kühldurchgang 60e kleiner als die Formfaktoren (Pb/eb bis Pd/ed) in den Kühldurchgängen 60b bis 60d, die an der stromaufwärtigen Seite des Kühldurchgangs 60e positioniert sind.
  • Der Kühldurchgang 60e ist der Durchgang der stromabwärtigen Seite, in dem der Formfaktor der Turbulatoren 34 der kleine zweite Formfaktor P2/e2 (Pe/ee) ist, und die Kühldurchgänge 60a bis 60d oder die Kühldurchgänge 60b bis 60d, die an der stromaufwärtigen Seite des Durchgangs der stromabwärtigen Seite (Kühldurchgang 60e) positioniert sind und in denen der Formfaktor der Turbulatoren 34 der erste Formfaktor P1/e1 (Pa/ea bis Pd/ed oder Pb/eb bis Pd/ed), der größer ist als der zweite Formfaktor P1/e2, sind die Durchgänge der stromaufwärtigen Seite.
  • Die 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Korrelation zwischen dem Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α und dem Formfaktor P/e der Turbulatoren zeigt. Man beachte, dass das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α das Verhältnis h/h0 des Wärmeübertragungskoeffizient h zu dem oben beschriebenen Wärmeübertragungskoeffizient h0 ist.
  • Gemäß der Darstellung in 14 ist das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel 40 hoch, und der Wärmeübertragungskoeffizient h zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel 40 ist in Tendenz hoch, wenn der Formfaktor P/e der Turbulatoren 34 in dem Kühldurchgang 60 klein ist. Andererseits steigt der Druckverlust des durch den Durchgang strömenden Kühlfluids in Tendenz an, wenn der Formfaktor P/e der Turbulatoren 34 abnimmt. Wenn die Teilung bzw. der Abstand P beispielsweise erhöht wird, ohne die Höhe e der Turbulatoren zu verändern, nimmt der Formfaktor P/e ab, aber der Druckverlust des Kühlfluids steigt an. Daher ist es wichtig, den Formfaktor P/e der Turbulatoren 34 so auszuwählen, dass ein Ausgleich zwischen dem Anstieg des Wärmeübertragungskoeffizienten und dem Anstieg des Druckverlusts vorgenommen wird, der durch eine Verringerung des Formfaktors P/e erhalten wird. Gemäß der Darstellung in 14 ist die Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnisses α begrenzt, selbst wenn der Formfaktor P/e verringert wird. Ein optimaler Formfaktor mit dem höchsten Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α wird aus Gründen der Vereinfachung als ein optimaler Faktor (Optimalwert) bezeichnet. Außerdem wird der Formfaktor P/e, der größer ist als der optimale Faktor und wo das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α niedriger ist als der Formfaktor P/e des optimalen Faktors, als ein Zwischenfaktor (Zwischenwert) bezeichnet.
  • In dieser Hinsicht ist bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der erste Formfaktor P1/e1 in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite größer als der zweite Formfaktor P2/e2 in dem stromabwärtigen Durchgang. In diesem Fall wird der optimale Faktor für den Formfaktor (zweiter Formfaktor) der zweiten Turbulatoren ausgewählt und der Zwischenfaktor wird für den Formfaktor (erster Formfaktor) der ersten Turbulatoren ausgewählt. Somit ist der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) relativ niedrig in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite und die Kühlung der Turbinenschaufell 40ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem Durchgang der stromabwärtigen Seite relativ niedrig zu gestalten. Andererseits ist der oben beschrieben Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) relativ hoch in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite und die Kühlung der Turbinenschaufel 40 wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel 40 in einem Bereich einer stromabwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 zu erhöhen. Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 zum Kühlen der Turbinenschaufel 40 zugeführt wird, verringert werden, wodurch es möglich ist, die thermische Effizienz der Gasturbine 1 zu verbessern.
  • Gemäß obiger Beschreibung ist der Formfaktor P/e der Turbulatoren 34 durch das Verhältnis P/e der Teilung bzw. des Abstands P des benachbarten Paars von Turbulatoren 34 zu der Höhe e der Turbulatoren 34 angegeben. Außerdem ändert sich gemäß der Darstellung in 14 der Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α), wenn der Formfaktor P/e geändert wird. Wenn beispielsweise der Formfaktor P/e durch Ändern der Höhe e oder der Teilung bzw. des Abstands P der Turbulatoren 34 geändert wird, wird es möglich, den Ziel-Wärmeübertragungskoeffizient h zu wählen. Die Höhe e der Turbulatoren hängt mit dem Formfaktor P/e und auch mit einer Breite oder Weite D des Durchgangs des Konkav-Konvex-Richtung (siehe 4) zusammen. Der Druckverlust des durch den Durchgang strömenden Kühlfluids steigt demnach an, wenn die Höhe e der Turbulatoren 34 relativ zu der Breite oder Weite D in der Konkav-Konvex-Richtung extrem hoch ist. Der letzte Durchgang (der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66) besitzt insbesondere die geringe Breite oder Weite D in der Konkav-Konvex-Richtung, und es ist wünschenswert, dass die Höhe e der Turbulatoren 34 weniger (niedriger) ist als die Höhe e der Turbulatoren 34 in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite. Das Auswählen der geeigneten Höhe e der Turbulatoren 34 ermöglicht eine Verringerung des Druckverlustes des Kühlfluids, während der Wärmeübertragungskoeffizient h beibehalten wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite der Strömung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 positioniert ist, und der Durchgang der stromaufwärtigen Seite umfasst den Kühldurchgang 60, der angrenzend an den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 angeordnet ist.
  • Bei den beispielhaften Ausführungsformen der 6 bis 10 ist beispielsweise der Kühldurchgang 60e (der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66), der an der am weitesten stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 positioniert ist, der Durchgang der stromabwärtigen Seite, und der Durchgang der stromaufwärtigen Seite umfasst den Kühldurchgang 60d, der angrenzend an den Kühldurchgang 60e angeordnet ist (der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66).
  • Das Kühlfluid, das durch die Vielzahl von Kühldurchgängen 60 strömt, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 bilden, wird durch einen Wärmetausch mit der Turbinenschaufel 40, die zu kühlen ist, aufgeheizt. Die Temperatur des Kühlfluids steigt nach unten an und ist am höchsten in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids positioniert ist.
  • In dieser Hinsicht ist bei den oben beschriebenen Ausführungsformen in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite einschließlich dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 der Neigungswinkel der Turbulatoren 34 kleiner als in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite oder der Formfaktor P/e der Turbulatoren 34 ist kleiner als in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite. Somit ist der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) relativ gering in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite und die Kühlung der Turbinenschaufel 40 ist verringert, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang relativ niedrig zu halten. Andererseits ist der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) relativ hoch in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang und die Kühlung der Turbinenschaufel 40 wird gefördert, wodurch es möglich ist, die Kühlung der Turbinenschaufel 40 in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang zu erhöhen. Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 zum Kühlen der Turbinenschaufel 40 zugeführt wird, effektiv verringert werden, und die thermische Effizienz der Gasturbine 1 kann verbessert werden.
  • Beispielsweise kann gemäß der Darstellung in den 2A bis 3B und den 6 bis 12 die Vielzahl von Kühldurchgängen 60 zumindest die drei Kühldurchgänge 60 aufweisen.
  • Alternativ kann, beispielsweise gemäß der Darstellung in 3A und 3B und den 6 bis 12 die Vielzahl von Kühldurchgängen 60 zumindest die fünf Kühldurchgänge 60 aufweisen.
  • In diesem Fall ist es möglich, die Neigungswinkel (zweite Winkel θ2) der zweiten Turbulatoren in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite von zumindest den drei oder fünf Kühldurchgängen 60 kleiner zu machen als die Neigungswinkel (erste Winkel 91) der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite von zumindest den drei oder fünf Kühldurchgängen 60, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 bilden. Alternativ ist es möglich, den Formfaktor P2/e2 der zweiten Turbulatoren in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite von zumindest den drei oder fünf Kühldurchgängen 60 kleiner zu machen als den Formfaktor P1/e1 der ersten Turbulatoren in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite.
  • Somit kann die Menge des Kühlfluids, die dem Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 zum Kühlen der Turbinenschaufel 40 zugeführt wird, verringert und die thermische Effizienz der Gasturbine 1 verbessert werden.
  • Unter der Voraussetzung, dass zumindest die drei oder fünf Kühldurchgänge 60 den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 bilden, kann die Anzahl der Kühldurchgänge 60 erhöht und die Querschnittflächen der jeweiligen Kühldurchgänge 60 können verringert werden. Somit ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids zu erhöhen und die Kühlung der Turbinenschaufel 40 zu fördern.
  • Unter der Voraussetzung, dass zumindest die drei oder fünf Kühldurchgänge 60 den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 bilden, kann durch Erhöhen der Anzahl der Kühldurchgänge 60 auch die Anzahl von Rippen 32, die zwischen den benachbarten Kühldurchgängen 60 angeordnet sind, erhöht sein. Somit nimmt die Oberflächengröße der Turbinenschaufel 40, die das Kühlfluid kontaktiert, zu. Somit kann die durchschnittliche Temperatur in dem Querschnitt der Turbinenschaufel 40 effektiv verringert werden und die Menge des Kühlfluids kann verringert sein, da die Toleranz einer durchschnittlichen Kriechfestigkeit in dem Querschnitt ansteigt.
  • Bei einigen Ausführungsformen, beispielsweise gemäß der Darstellung in 9 und 10, ist die Innenwandoberfläche des am weitesten stromaufwärtigen Durchgangs 65, der an der am weitesten stromaufwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 positioniert ist, durch eine glatte Oberfläche 67 gebildet, die nicht mit irgendwelchen Turbulatoren versehen ist.
  • In einem Fall, in dem die Innenwandoberfläche des Kühldurchgangs 60 durch die glatte Oberfläche 67 gebildet ist, die nicht mit irgendwelchen Turbulatoren versehen ist, ist der Wärmeübertragungskoeffizient h=h0 (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α=1) zwischen dem Kühlfluid und der Turbinenschaufel 40 niedrig, im Vergleich zu dem Fall, wo die Turbulatoren an der Innenwandoberfläche des Kühldurchgangs 60 vorgesehen sind.
  • In dieser Hinsicht ist bei den oben beschriebenen Ausführungsformen, da die Innenwandoberfläche des am weitesten stromaufwärtigen Durchgangs 65 durch die glatte Oberfläche 67 gebildet ist, die nicht mit irgendwelchen Turbulatoren versehen ist, der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h=h0 (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α=1) in dem am weitesten stromaufwärtigen Durchgang 65 niedriger als der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite. Der oben beschriebene Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) in dem am weitesten stromaufwärtigen Durchgang 65, dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite und dem Durchgang der stromabwärtigen Seite, die den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 bilden, nimmt in dieser Reihenfolge zu. Somit wird der Wärmeübertragungskoeffizient h (oder das Wärmeübertragungskoeffizientenverhältnis α) einfach in Stufen in den Serpentinen-Strömungsdurchgang 61 verändert, wodurch eine Einstellung der Kühlleistung in jedem der Kühldurchgänge 60 vereinfacht ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 positioniert ist, und der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66 ist so geformt, dass die Strömungsdurchgangs-Querschnittfläche davon zu der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Kühlfluids hin abnimmt.
  • Beispielsweise ist bei den beispielhaften Ausführungsformen der 2A und 3A der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66 ein Durchgang der stromabwärtigen Seite mit dem kleineren Neigungswinkel 9 oder Formfaktor P/e der Turbulatoren 34 als der Kühldurchgang 60, der an der stromaufwärtigen Seite des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66 positioniert ist. Sodann ist der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66 so geformt, dass dessen Strömungsdurchgangs-Querschnittsfläche von stromauf (der Seite der Basis 50 (Endteil 1) des Strömungsprofilkörpers 42) zu stromab (der Seite des Außenendes 48 (Endteil 2) des Strömungsprofilkörpers 42) in der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 abnimmt. Außerdem ist der Kühldurchgang 60d, der ein Durchgang der stromaufwärtigen Seite angrenzend an den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 ist und der mit dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 kommuniziert, so geformt, dass dessen Strömungsdurchgangs-Querschnittsfläche von stromauf (der Seite des Außenendes 48 des Strömungsprofilkörpers 42) zu stromab (der Seite der Basis 50 des Strömungsprofilkörpers 42) in der Strömungsrichtung des Kühlfuids abnimmt.
  • Da der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66 so geformt ist, dass dessen Strömungsdurchgangs-Querschnittsfläche zu der Stromabseite der Strömungsrichtung des Kühlfluids abnimmt, nimmt in diesem Fall die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids stromab in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 zu. Da der Kühldurchgang 60d so geformt ist, dass dessen Strömungsdurchgangs-Querschnittsfläche zu der Stromabseite der Strömungsrichtung des Kühlfluids abnimmt, nimmt darüber hinaus wie bei dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids stromab in dem Kühldurchgang 60d zu. Somit kann ein Anstieg der Metalltemperatur der Schaufelinnenwand an der Seite der Basis 50, der sich an der stromabwärtigen Seite des Kühldurchgangs 66d befindet, verringert werden. Da der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66 so geformt ist, dass dessen Strömungsdurchgangs-Querschnittsfläche zu der Seite des Außenendes 48, die sich an der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Kühlfluids befindet, abnimmt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids zu, wodurch es möglich ist, die Schaufelinnenwand effizient zu kühlen. In der Folge wird der Anstieg der Metalltemperatur der Schaufelinnenwand des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66 verringert, wodurch es möglich ist, die Kühleffizienz in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66, wo die Temperatur des Kühlfluids relativ hoch ist, zu verbessern. Die obige Beschreibung ist auf den Fall der Schaufelkonfiguration von 3A angewandt. Dieselbe Beschreibung ist aber auf Änderungen in den Strömungsdurchgang-Querschnittsflächen des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66 und des Kühldurchgangs 66b in der Schaufelkonfiguration von 2A ebenso anwendbar. Selbst in dem Fall des Statorflügels 26, der in der schematischen Ansicht von 11 gezeigt ist, kann darüber hinaus der am weitesten stromabwärtige Durchgang 66 so geformt sein, dass dessen Strömungsdurchgang-Querschnittsfläche von dem Außenende 52 (Endteil 1) davon zu dem Innenende 54 (Endteil 2) davon an der stromabwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids abnimmt. In der Folge nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids zu, wodurch es möglich ist, den Anstieg der Metalltemperatur der Schaufelinnenwand des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66 zu verringern.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen 60 positioniert ist, und die Turbinenschaufel 40 umfasst ferner einen Kühlfluid-Zuführweg 92, der so angeordnet ist, dass er mit dem stromaufwärtigen Teil des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66 kommuniziert, und der konfiguriert ist, um das Kühlfluid von außen zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 (Durchgang der stromabwärtigen Seite) zuzuführen, ohne über den Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu gehen.
  • Bei den beispielhaften Ausführungsformen der 2A und 3A ist beispielsweise der Kühlfluid-Zuführweg 92 im Inneren des Schaufel-Fußabschnitts 82 so angeordnet, dass er mit dem stromaufwärtigen Teil (der Seite der Basis 50 des Strömungsprofilkörpers 42) des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66, der der Durchgang der stromabwärtigen Seite ist, kommuniziert. Sodann kann das Kühlfluid von außen dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 über den Kühlfluid-Zuführweg 92 zugeführt werden, ohne über den Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu gehen (zumindest einem der Kühldurchgänge 60a bis 60d), der an der stromaufwärtigen Seite des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66 positioniert ist.
  • In diesem Fall wird zusätzlich zu der Einströmung des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 das Kühlfluid von außen zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang 66 über den Kühlfluid-Zuführweg 92 zugeführt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids, das durch den am weitesten stromabwärtigen Durchgang strömt, zunimmt. Somit kann die Kühlung des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs 66, wo die Temperatur des Kühlfluids von dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite des Serpentinen-Strömungsdurchgangs 61 relativ hoch ist, weiter verbessert werden.
  • Der Statorflügel 24 (Turbinenschaufel 40) von 11 hat die Konfiguration (beispielsweise eine Größenbeziehung der Neigungswinkel θ oder der Formfaktoren P/e in den jeweiligen Kühldurchgängen 60) der Turbulatoren 34, die der der Rotorschaufel 26 (Turbinenschaufel 40) von 8 entspricht. Der Statorflügel 24 (Turbinenschaufel 40) gemäß einigen Ausführungsformen kann die Konfiguration entsprechend zu der von einem der Rotorschaufeln 26 (Turbinenschaufeln 40) von 6, 7, 9, 10 und 12 haben.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite mit den ersten Turbulatoren die ersten Formfaktoren von einigen der ersten Turbulatoren kleiner als ein Durchschnitt der ersten Formfaktoren von anderen der ersten Turbulatoren in demselben Durchgang.
  • Gemäß der Darstellung in 12 wird für die ersten Formfaktoren der ersten Turbulatoren, die in dem Kühldurchgang 60d an der am weitesten stromabwärtigen Seite der Durchgänge der stromaufwärtigen Seite vorgesehen sind, ein Faktor gewählt, der kleiner ist als ein Durchschnittswert der ersten Formfaktoren der anderen ersten Turbulatoren in demselben Durchgang oder der ersten Formfaktoren einer Vielzahl von anderen ersten Turbulatoren. Beispielsweise kann ein heißer Fleck („hotspot“) in einem Teil desselben Durchgangs wie der am weitesten stromab befindliche Kühldurchgang 60d auftreten und die Metalltemperatur der Schaufelinnendwand kann lokal höher sein als die einer anderen Schaufelinnenwand. In diesem Fall wird beispielsweise die Teilung bzw. der Abstand P verringert, ohne die Höhe e eines Turbulators 34a an der entsprechenden Innenwand zu verändern, wodurch die ersten Formfaktoren P/e der Turbulatoren 34 verringert werden. Die ersten Formfaktoren der ersten Turbulatoren an der Innenwand des Durchgangs, wo der heiße Fleck auftritt, werden demnach kleiner gemacht als diejenigen in einem anderen Teil, um den Wärmeübertragungskoeffizient h zu erhöhen, wodurch es möglich ist, die Kühlung partiell zu verbessern. Das Beispiel von 12 zeigt das Beispiel des Kühldurchgangs 66d. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt und das in 12 gezeigte Beispiel ist gleichermaßen auf den anderen Durchgang der stromaufwärtigen Seite anwendbar.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden oben beschrieben aber die Erfindung ist darauf nicht beschränkt und umfasst auch eine Ausführungsform, die durch Modifizieren der oben beschriebenen Ausführungsform erhalten ist, und eine Ausführungsform, die durch Kombinieren dieser Ausführungsformen erhalten ist, ist ebenso geeignet.
  • Bei der vorliegenden Beschreibung soll ein Ausdruck einer relativen oder absoluten Anordnung wie „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht als Angabe lediglich der Anordnung in einem strengen wörtlichen Sinne ausgelegt werden sondern umfasst auch einen Zustand, wo die Anordnung um eine Toleranz oder um einen Winkel oder eine Distanz relativ versetzt ist, wodurch es immer noch möglich ist, dieselbe Funktion zu erreichen.
  • Ein Ausdruck eines gleichen Zustands wie „derselbe“, „gleich“ und „gleichmäßig“ soll nicht als Angabe lediglich des Zustand verstanden werden, bei dem das Merkmal im strengen Sinne gleich ist, sondern umfasst auch einen Zustand, bei dem es eine Toleranz oder eine Differenz gibt, die immer noch dieselbe Funktion erreichen kann.
  • Ein Ausdruck einer Form wie einer rechteckigen Form oder einer zylindrischen Form soll nicht nur im geometrisch strengen Sinne der Form ausgelegt werden, sondern umfasst auch eine Form mit Ungleichmäßigkeit oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs, in dem dieselbe Wirkung erreicht werden kann.
  • Im Sinne der Verwendung in dieser Beschreibung sind die Ausdrücke „umfassend“, „enthaltend“ oder „mit“ eines Bestandelements nicht ein ausschließlicher Ausdruck, der das Vorhandensein von anderen Bestandselementen ausschließt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasturbine
    2
    Kompressor
    4
    Brennkammer
    6
    Turbine
    8
    Rotor
    10
    Kompressorgehäuse
    12
    Lufteinlass
    16
    Statorflügel
    18
    Rotorschaufel
    20
    Gehäuse
    22
    Turbinengehäuse
    24
    Statorflügel
    26
    Rotorschaufel
    28
    Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang
    30
    Abgaskammer
    32
    Rippe
    34
    Turbulator
    35
    Innenströmungsdurchgang
    36
    Vorderkantenseiten-Strömungsdurchgang
    40
    Turbinenschaufel
    42
    Strömungsprofilkörper
    44
    Vorderkante
    46
    Hinterkante
    47
    Hinterkantenteil
    48
    Außenende
    49
    obere Platte
    50
    Basis
    52
    Außenende
    54
    Innenende
    60, 60a bis 60e
    Kühldurchgang
    61
    Serpentinen-Strömungsdurchgang
    62
    Einlassöffnung
    63
    Innenwandoberfläche
    64
    Auslassöffnung
    65
    am weitesten stromaufwärtiger Durchgang
    66
    am weitesten stromabwärtiger Durchgang (letzter Durchgang)
    67
    glatte Oberfläche
    70
    Kühlloch
    80
    Plattform
    82
    Schaufel-Fußabschnitt
    84
    Innenströmungsdurchgang
    86
    innerer Deckring
    88
    äußerer Deckring
    92
    Kühlfluid-Zuführweg
    P
    Teilung oder Abstand
    e
    Höhe
    9
    Neigungswinkel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP H11229806 A [0004]
    • JP 2001137958 A [0004]
    • JP 2015214979 A [0004]

Claims (17)

  1. Eine Turbinenschaufel umfassend: einen Strömungsprofilkörper, und eine Vielzahl von Kühldurchgängen, die sich entlang einer Schaufel-Höhenrichtung im Inneren des Strömungsprofilkörpers erstrecken und miteinander kommunizieren, um einen Serpentinen-Strömungsdurchgang zu bilden, wobei die Kühldurchgänge umfassen: erste Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, und zweite Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, wobei die zweiten Turbulatoren an einer stromabwärtigen Seite des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind, und wobei ein zweiter Winkel, der durch die zweiten Turbulatoren bezüglich einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids in dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang ausgebildet ist, kleiner ist als ein erster Winkel, der durch die ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite gebildet ist.
  2. Die Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1, wobei ein zweiter Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der zweiten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite definiert ist, kleiner ist als ein erster Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite definiert ist.
  3. Eine Turbinenschaufel umfassend: einen Strömungsprofilkörper, und eine Vielzahl von Kühldurchgängen, die sich entlang einer Schaufel-Höhenrichtung im Inneren des Strömungsprofilkörpers erstrecken und miteinander kommunizieren, um einen Serpentinen-Strömungsdurchgang zu bilden, wobei die Kühldurchgänge umfassen: erste Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromaufwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, und zweite Turbulatoren, die an einer Innenwandoberfläche eines Durchgangs einer stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Kühldurchgängen angeordnet sind, wobei die zweiten Turbulatoren mit dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite kommunizieren und an einer stromabwärtigen Seite des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite positioniert sind, und wobei ein zweiter Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der zweiten Turbulatoren bezüglich einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids in dem Durchgang der stromabwärtigen Seite definiert ist, kleiner ist als ein erster Formfaktor, der durch eine Höhe und eine Teilung bzw. einen Abstand der ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite definiert ist.
  4. Die Turbinenschaufel gemäß Anspruch 3, wobei ein zweiter Winkel, der durch die zweiten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem weitesten stromabwärtigen Durchgang gebildet ist, kleiner ist als ein erster Winkel, der durch die ersten Turbulatoren bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite gebildet ist.
  5. Die Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1, 2 oder 4, wobei der Durchgang der stromaufwärtigen Seite mit einer Vielzahl von ersten Turbulatoren versehen ist, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, wobei der Durchgang der stromabwärtigen Seite mit einer Vielzahl von zweiten Turbulatoren versehen ist, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, und wobei ein Durchschnitt von zweiten Winkeln der Vielzahl von zweiten Turbulatoren kleiner ist als ein Durchschnitt von ersten Winkeln der Vielzahl von ersten Turbulatoren.
  6. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Durchgang der stromaufwärtigen Seite mit einer Vielzahl von ersten Turbulatoren versehen ist, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, wobei der Durchgang der stromabwärtigen Seite mit einer Vielzahl von zweiten Turbulatoren versehen ist, die entlang der Schaufel-Höhenrichtung angeordnet sind, und wobei ein Durchschnitt der zweiten Formfaktoren der Vielzahl von zweiten Turbulatoren kleiner ist als ein Durchschnitt der ersten Formfaktoren der Vielzahl von ersten Turbulatoren.
  7. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 oder 6, wobei die ersten Formfaktoren von einigen der ersten Turbulatoren kleiner sind als ein Durchschnitt der ersten Formfaktoren von anderen der ersten Turbulatoren in demselben Durchgang.
  8. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Turbinenschaufel die ersten Turbulatoren aufweist, die in dem Durchgang der stromaufwärtigen Seite vorgesehen sind und den ersten Winkel von 90 Grad haben.
  9. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, 6 oder 7, wobei der erste Formfaktor durch ein Verhältnis P1/e1 einer Teilung bzw. eines Abstands P1 eines benachbarten Paars von ersten Turbulatoren der Vielzahl von ersten Turbulatoren zu einer Höhe e1 des Paars der ersten Turbulatoren bezüglich der Innenwandoberfläche des Durchgangs der stromaufwärtigen Seite angegeben ist, und wobei der zweite Formfaktor durch ein Verhältnis P2/e2 einer Teilung bzw. eines Abstands P2 eines angrenzenden Paars von zweiten Turbulatoren der Vielzahl von zweiten Turbulatoren zu einer Höhe e2 des Paars der zweiten Turbulatoren bezüglich der Innenwandoberfläche des Durchgangs der stromabwärtigen Seite angegeben ist.
  10. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Durchgang der stromabwärtigen Seite einen am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an einer am weitesten stromabwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen positioniert ist, aufweist, und wobei der Durchgang der stromaufwärtigen Seite den Kühldurchgang, der angrenzend an den am weitesten stromabwärtigen Durchgang angeordnet ist, umfasst.
  11. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vielzahl der Kühldurchgänge ein Serpentinen-Strömungsdurchgang sind, der zumindest die drei Kühldurchgänge aufweist.
  12. Die Turbinenschaufel gemäß Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Kühldurchgängen einen am weitesten stromaufwärtigen Durchgang, der an einer am weitesten stromaufwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen positioniert ist, aufweisen, und wobei eine Innenwandoberfläche des am weitesten stromaufwärtigen Durchgangs durch eine glatte Oberfläche gebildet ist, die nicht mit irgendwelchen Turbulatoren versehen ist.
  13. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite einer Strömung des Kühlfluids der Vielzahl von Kühldurchgängen positioniert ist, aufweist, und wobei der am weitesten stromabwärtige Durchgang so ausgebildet ist, dass eine Strömungsdurchgangsfläche davon zu der stromabwärtigen Seite der Strömung des Kühlfluids hin abnimmt.
  14. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Durchgang der stromabwärtigen Seite den am weitesten stromabwärtigen Durchgang, der an der am weitesten stromabwärtigen Seite einer Strömung des Kühlfluids der Vielzahl der Kühldurchgänge positioniert ist, aufweist, und wobei die Turbinenschaufel ferner einen Kühlfluid-Zuführweg, der so angeordnet ist, dass er mit einem stromaufwärtigen Teil des am weitesten stromabwärtigen Durchgangs kommuniziert und konfiguriert ist, um ein Kühlfluid von außen zu dem am weitesten stromabwärtigen Durchgang zuzuführen, ohne über den Durchgang der stromaufwärtigen Seite zu gehen, umfasst.
  15. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Turbinenschaufel eine Rotorschaufel für eine Gasturbine ist.
  16. Die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Turbinenschaufel ein Statorflügel für eine Gasturbine ist.
  17. Eine Gasturbine umfassend: die Turbinenschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, und einer Brennkammer zum Erzeugen eines Verbrennungsgases zur Strömung durch einen Verbrennungsgas-Strömungsdurchgang, in der die Turbinenschaufel angeordnet ist.
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