CH703873A2 - Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel sowie Verfahren zum Erzeugen einer solchen. - Google Patents

Abstract

Eine Plattformkühleinrichtung (110) in einer Turbinenlaufschaufel, die enthält: einen Plattformschlitz, der durch wenigstens entweder die druckseitige Schlitzseitenwand und/oder die saugseitige Schlitzseitenwand hindurchführend ausgebildet ist; einen lösbar eingesetzten Pralleinsatz (130), der die Plattform (110) in zwei radial gestapelte Plenumkammern unterteilt, wobei sich eine erste Plenumkammer (139) weiter innen von einer zweiten Plenumkammer (140) befindet; eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148), die die erste Plenumkammer (139) mit einem Hochdruck-Kühlmittelbereich eines inneren Kühlkanals verbindet; eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149), die die zweite Plenumkammer (140) mit einem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Verbrennungsturbinen, die, wie hierin verwendet und sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, alle Arten von Verbrennungsturbinen enthalten, wie beispielsweise diejenigen, die bei der Energieerzeugung und in Flugtriebwerken verwendet werden. Insbesondere, jedoch keineswegs beschränkend, betrifft die vorliegende Anmeldung Vorrichtungen, Systeme und/oder Verfahren zur Kühlung der Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln.

[0002] Eine Gasturbine enthält gewöhnlich einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine enthalten im Allgemeinen Reihen von Schaufelblättern oder Schaufeln, die in Stufen axial gestapelt sind. Jede Stufe enthält gewöhnlich eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Statorschaufeln, die ortsfest sind, und einen Satz von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Laufschaufeln, die um eine zentrale Achse oder an einer Welle rotieren. Im Betrieb rotieren die Laufschaufeln in dem Verdichter an der Welle, um eine Luftströmung zu komprimieren. Die komprimierte Luft wird anschliessend innerhalb der Brennkammer dazu verwendet, einen zugeführten Brennstoff zu verbrennen. Die resultierende Strömung von Heissgasen aus dem Verbrennungsprozess wird beim Durchgang durch die Turbine expandiert, was die Laufschaufeln veranlasst, die Welle, an der sie befestigt sind, zu drehen. Auf diese Weise wird in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der umlaufenden Welle umgewandelt, die dann z.B. verwendet werden kann, um die Spulen eines Generators zu drehen, um Elektrizität zu erzeugen.

[0003] Bezugnehmend auf die Fig. 1und 2 enthalten Turbinenlaufschaufeln 100 allgemein einen tragflächenprofilförmi-gen Abschnitt oder ein Schaufelblatt 102 und einen Wurzelabschnitt oder Fuss 104. Das Schaufelblatt 102 kann als mit einer konvexen Saugfläche 105 und einer konkaven Druckfläche 106 beschrieben werden. Das Schaufelblatt 102 kann ferner als eine Anströmkante 107, die die Vorderkante ist, und eine Abströmkante 108, die die Hinterkante ist, aufweisend beschrieben werden. Der Fuss 104 kann so beschrieben werden, dass er eine Struktur (die, wie veranschaulicht, gewöhnlich einen Schwalbenschwanz 109 enthält) zur Befestigung der Schaufel 100 an der Rotorwelle, eine Plattform 110, von der sich das Schaufelblatt 102 aus erstreckt, und einen Schaft 112 aufweist, der die Struktur zwischen dem Schwalbenschwanz 109 und der Plattform 110 enthält.

[0004] Wie veranschaulicht, kann die Plattform 110 im Wesentlichen eben sein. (Es ist zu beachten, dass «eben», wie es hierin verwendet wird, ungefähr oder im Wesentlichen in der Form einer Ebene bedeutet. Zum Beispiel wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Plattformen konfiguriert sein können, um eine Aussenfläche zu haben, die leicht gekrümmt oder konvex ist, wobei die Krümmung dem Umfang der Turbine an der radialen Stelle der Laufschaufeln entspricht. Wie hierin verwendet, wird diese Art der Plattformgestalt als eben angesehen, da der Krümmungsradius gross genug ist, um der Plattform eine flache Erscheinungsform zu verleihen.) Insbesondere kann die Plattform 110 eine ebene Oberseite 113 aufweisen, die, wie in Fig. 1 veranschaulicht, eine sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche enthalten kann. Wie in Fig. 2 veranschaulicht, kann die Plattform 110 eine ebene Unterseite 114 aufweisen, die ebenfalls eine sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende flache Oberfläche enthalten kann. Die Oberseite 113 und die Unterseite 114 der Plattform 114 können derart ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Wie dargestellt, wird erkannt, dass die Plattform 110 gewöhnlich ein dünnes radiales Profil aufweist, d.h., es liegt ein relativ kleiner radialer Abstand zwischen der Oberseite 113 und der Unterseite 114 der Plattform 110 vor.

[0005] Im Allgemeinen wird die Plattform 110 auf Turbinenlaufschaufeln 100 verwendet, um eine innere Strömungspfadbegrenzung des Heissgaspfadbereiches der Gasturbine zu bilden/ Die Plattform 110 bietet ferner strukturellen Halt für das Schaufelblatt 102. Im Betrieb ruft die Drehgeschwindigkeit der Turbine eine mechanische Belastung hervor, die hochbeanspruchte Regionen entlang der Plattform 110 hervorbringt, die, wenn sie mit hohen Temperaturen gekoppelt werden, schliesslich die Bildung betriebsbedingter Defekte, wie beispielsweise Oxidation, Kriechen, Rissbildung bei niederfrequenter Ermüdungsbelastung und andere, bewirken. Diese Defekte beeinflussen natürlich in negativer Weise die Nutzungslebensdauer der Laufschaufel 100. Es wird erkannt, dass diese rauen Betriebsbedingungen, d.h. die Beaufschlagung mit extremen Temperaturen des Heissgaspfades und der mechanischen Belastung, wie sie mit den Laufschaufeln verbunden sind, zu beträchtlichen Herausforderungen beim Entwurf beständiger, langlebiger Laufschaufelplattformen 110 führen, die sowohl gut funktionieren, als auch kostengünstig herzustellen sind.

[0006] Eine übliche Lösung dafür, die Plattformregion 110 langlebiger zu machen, besteht darin, diese mit einer Strömung einer komprimierten Luft oder eines anderen Kühlmittels während des Betriebs zu kühlen, wobei vielfältige dieser Arten von Plattformkonstruktionen bekannt sind. Jedoch wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass die Plattformregion 110 bestimmte konstruktive Herausforderungen bietet, die eine Kühlung auf diese Weise schwierig machen. Im wesentlichen Teil ist dies auf die ungünstige Geometrie dieser Region insofern zurückzuführen, als die Plattform 110, wie beschrieben, eine Peripheriekomponente ist, die sich von dem zentralen Kern der Laufschaufel entfernt befindet und gewöhnlich derart gestaltet ist, dass sie eine strukturell robuste, jedoch geringe radiale Dicke aufweist.

[0007] Um ein Kühlmittel zirkulieren zu lassen, enthalten Laufschaufeln 100 gewöhnlich einen oder mehrere hohle Kühlkanäle 116 (vgl. Fig. 3, 4 und 5), die sich zumindest radial durch den Kern der Schaufel 100 hindurch, einschliesslich durch den Fuss 104 und das Schaufelblatt 102, erstrecken. Wie in grösseren Einzelheiten nachstehend beschrieben, können derartige Kühlkanäle 116 zur Steigerung des Wärmeaustausches mit einem serpentinenförmigen Pfad ausgebildet sein, der sich durch die zentralen Bereiche der Schaufel 100 windet, obwohl andere Konfigurationen möglich sind. Im Betrieb kann ein Kühlmittel in die zentralen Kühlkanäle über einen oder mehrere Einlasse 117 eintreten, die in dem innenliegenden Abschnitt des Fusses 104 ausgebildet sind. Das Kühlmittel kann durch die Schaufel 100 strömen und durch (nicht veranschaulichte) Auslässe, die an dem Schaufelblatt ausgebildet sind, und/oder über einen oder mehrere (nicht veranschaulichte) Auslässe, die in dem Fuss 104 ausgebildet sind, austreten. Das Kühlmittel kann unter Druck gesetzt sein und kann z.B. Druckluft, mit Wasser gemischte Druckluft, Dampf und dergleichen enthalten. In vielen Fällen ist das Kühlmittel komprimierte Luft, die aus dem Verdichter der Maschine abgeleitet wird, obwohl andere Quellen möglich sind. Wie in grösseren Einzelheiten nachstehend beschrieben, enthalten diese Kühlkanäle gewöhnlich einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich. Der Hochdruck-Kühlmittelbereich entspricht gewöhnlich einem stromaufwärtigen Abschnitt des Kühlkanals, der einen höheren Kühlmitteldruck aufweist, während der Niederdruck-Kühlmittelbereich einem stromabwärtigen Abschnitt mit einem relativ niedrigeren Kühlmitteldruck entspricht.

[0008] In vielen Fällen kann das Kühlmittel aus den Kühlkanälen 116 in einen Hohlraum 119 eingeleitet werden, der zwischen den Schäften 112 und den Plattformen 110 benachbarter Lauf schaufeln 100 ausgebildet ist. Von dort aus kann das Kühlmittel verwendet werden, um die Plattformregion 110 der Laufschaufel zu kühlen, von der eine herkömmliche Konstruktion in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Konstruktionsbauart entnimmt gewöhnlich Luft aus einem der Kühlkanäle 116 und verwendet die Luft, um den zwischen den Schäften 112/Plattformen 110 gebildeten Hohlraum 119 unter Druck zu setzen. Sobald er unter Druck gesetzt ist, liefert dieser Hohlraum 119 anschliessend das Kühlmittel zu Kühlkanälen, die sich durch die Plattformen 110 hindurch erstrecken. Nach dem Durchströmen der Plattform 110 kann die Kühlluft durch Filmkühllöcher, die in der Oberseite 113 der Plattform 110 ausgebildet sind, aus dem Hohlraum austreten.

[0009] Es wird jedoch erkannt, dass diese Art einer herkömmlichen Konstruktion mehrere Nachteile aufweist. Erstens ist der Kühlkreislauf nicht in sich abgeschlossen in einem einzigen Bauteil enthalten, da der Kühlkreislauf erst gebildet wird, nachdem zwei benachbarte Laufschaufeln 100 zusammengebaut werden. Dies trägt zu einem hohen Schwierigkeitsgrad und einer hohen Komplexität beim Einbau und bei Strömungstests vor dem Einbau bei. Ein zweiter Nachteil besteht darin, dass die Gesamtheit des zwischen benachbarten Laufschaufeln 100 gebildeten Hohlraums 119 davon abhängt, wie gut der Umfang des Hohlraums 119 abgedichtet ist. Eine unzureichende Abdichtung kann zu einer unzureichenden Plattformkühlung und/oder verschwendeter Kühlluft führen. Ein dritter Nachteil liegt in der inhärenten Gefahr, dass Heissgaspfadgase in den Hohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst eingesaugt werden können. Dies kann auftreten, falls der Hohlraum 119 während des Betriebs nicht bei einem hinreichend hohen Druck gehalten wird. Falls der Druck des Hohlraums 119 unter den Druck innerhalb des Heissgaspfades fällt, werden heisse Gase in den Schafthohlraum 119 oder die Plattform 110 selbst eingesaugt, was gewöhnlich diese Komponenten beschädigt, da sie nicht dazu ausgelegt sind, einer Belastung unter den Heissgaspfadbedingungen ausgesetzt zu werden.

[0010] Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine weitere Bauart einer herkömmlichen Konstruktion zur Plattformkühlung. In diesem Fall ist der Kühlkreislauf innerhalb der Laufschaufel 100 enthalten und umfasst nicht den Schafthohlraum 119, wie dies dargestellt ist. Kühlluft wird aus einem der Kühlkanäle 116 entnommen, die durch den Kern der Schaufel 110 verlaufen, und durch Kühlkanäle 120, die innerhalb der Plattform 110 ausgebildet sind (d.h. «Plattformkühlkanäle 120»), nach hinten geleitet. Wie durch die verschiedenen Pfeile veranschaulicht, strömt die Kühlluft durch die Plattformkühlkanäle 120 hindurch und tritt durch Auslässe in der hinteren Kante 121 der Plattform 110 oder aus Auslässen, die entlang der saugseitigen Kante 122 angeordnet sind, aus. (Es ist zu beachten, dass bei der Beschreibung von oder der Bezugnahme auf die Kanten oder Seitenwände der rechteckigen Plattform 110, jede auf der Basis ihrer Lage in Bezug auf die Saugfläche 105 und Druckfläche 106 des Schaufelblattes 102 und/oder die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung der Maschine, wenn die Schaufel 100 eingebaut ist, abgegrenzt werden kann. An sich wird ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass die Plattform eine Hinterkante 121, eine Saugseitenkante 122, eine Vorderkante 124 und eine Druckseitenkante 126 enthalten kann, wie sie in den Fig. 3 und 4 angezeigt sind. Ausserdem werden die Saugseitenkante 122 und die Druckseitenkante 126 üblicherweise auch als «Schlitzseitenwände» bezeichnet, und der dazwischen ausgebildete enge Hohlraum, wenn benachbarte Laufschaufeln 100 eingebaut sind, kann als ein «Schlitzseitenwandhohlraum» bezeichnet werden.)

[0011] Es wird erkannt, dass die herkömmlichen Konstruktionen gemäss den Fig. 4 und 5 einen Vorteil gegenüber der Konstruktion nach Fig. 3insofern haben, als sie durch Schwankungen der Montage- oder Einbaubedingungen nicht beeinflusst werden. Jedoch haben herkömmliche Konstruktionen dieser Art mehrere Beschränkungen oder Nachteile. Erstens ist, wie veranschaulicht, nur ein einziger Kreislauf auf jeder Seite des Schaufelblattes 102 vorgesehen, und somit besteht der Nachteil, dass eine begrenzte Steuerung oder Kontrolle der Kühlluftmenge, die an unterschiedlichen Stellen in der Plattform 110 verwendet wird, vorliegt. Zweitens haben herkömmliche Konstruktionen dieser Art einen Abdeckungs- bzw. Wirkbereich, der im Wesentlichen begrenzt ist. Während der serpentinenartige Pfad nach Fig. 5 hinsichtlich der Abdeckung bzw. des Wirkbereiches gegenüber Fig. 4 eine Verbesserung darstellt, sind weiterhin tote Bereiche innerhalb der Plattform 110 vorhanden, die ungekühlt bleiben. Drittens steigen die Herstellungskosten, um einen besseren Abdeckungsbereich mit komplex gestalteten Plattformkühlkanälen zu erhalten, erheblich, insbesondere wenn die Kühlkanäle Formen aufweisen, die einen Giessprozess zu ihrer Herstellung erfordern. Viertens geben diese herkömmlichen Konstruktionen das Kühlmittel gewöhnlich in den Heissgaspfad aus, nachdem dieses genutzt wurde und bevor das Kühlmittel vollständig erschöpft ist, was den Wirkungsgrad der Maschine negativ beeinflusst. Fünftens weisen herkömmliche Konstruktionen dieser Art im Allgemeinen wenig Flexibilität auf. Das heisst, die Kanäle 120 werden als ein integraler Teil der Plattform 110 erzeugt und bieten wenig oder keine Möglichkeit, um ihre Funktion oder Konfiguration zu verändern, wenn die Betriebsbedingungen variieren. Ausserdem sind diese Arten herkömmlicher Konstruktionen schwer zu reparieren oder zu überholen.

[0012] Infolgedessen fehlen herkömmliche Plattformkühlkonstruktionen in einem oder mehreren wichtigen Bereichen. Es bleibt ein Bedarf nach verbesserten Vorrichtungen, Systemen und Verfahren, die die Plattformregion von Turbinenlaufschaufeln effektiv und effizient kühlen, während sie auch kostengünstig herzustellen, flexibel bei der Anwendung und langlebig sind.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0013] Die vorliegende Anmeldung beschreibt folglich eine Plattformkühleinrichtung für eine Turbinenlaufschaufel, die in einer Ausführungsform enthält: einen Plattformschlitz, der durch wenigstens eine von der druckseitigen Schlitzseitenwand und der saugseitigen Schlitzseitenwand hindurchführend ausgebildet ist; einen lösbar eingesetzten Pralleinsatz, der die Plattform in zwei radial gestapelte Plenumkammern, eine erste Plenumkammer, die sich innen von einer zweiten Plenumkammer befindet, aufteilt; eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung, die die erste Plenumkammer mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet; und eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung, die die zweite Plenumkammer mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet; wobei der Pralleinsatz mehrere Prallöffnungen aufweist. Die Turbinenlaufschaufel kann eine Plattform an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einem Fuss aufweisen. Die Laufschaufel kann einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal enthalten, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuss bis zu wenigstens der ungefähren radialen Höhe der Plattform erstreckt. Im Betrieb kann der innere Kühlkanal einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich enthalten. Entlang einer Seite, die mit einer Druckseite des Schaufelblattes zusammenfällt, kann eine Druckseite der Plattform eine Oberseite enthalten, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt aus bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand erstreckt. Entlang einer Seite, die mit einer Saugseite des Schaufelblattes zusammenfällt, kann eine Saugseite der Plattform eine Oberseite enthalten, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt bis zu einer saugseitigen Schlitzseitenwand erstreckt.

[0014] In einer alternativen Ausführungsform beschreibt die vorliegende Anmeldung ferner ein Verfahren zum Erzeugen einer Plattformkühleinrichtung für die Turbinenlaufschaufel, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen eines Plattformschlitzes in der Plattform, wobei sich der Plattformschlitz in Umfangsrichtung von einer Mundöffnung, die in der druckseitigen Schlitzseitenwand ausgebildet ist, aus erstreckt; maschinelles Herstellen einer Hochdruck-Verbindungseinrichtung, die eine erste vorbestimmte Stelle innerhalb des Plattformschlitzes mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet, vom Inneren des erzeugten Plattformschlitzes aus; maschinelles Herstellen einer Niederdruck-Verbindungseinrichtung, die eine zweite vorbestimmte Stelle innerhalb des Plattformschlitzes mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals verbindet, vom Inneren des erzeugten Plattformschlitzes aus; Erzeugen eines Pralleinsatzes, der mehrere Prallöffnungen enthält und eine vorbestimmte Konfiguration aufweist, die in gewünschter Weise der Grösse des Plattformschlitzes entspricht; und Einbauen des Pralleinsatzes innerhalb des Plattformschlitzes. Sobald er eingebaut ist, unterteilt der Pralleinsatz die Plattform im Wesentlichen in zwei radial gestapelte Plenumkammern, eine Vorprallkühlmittel-Plenumkammer, die sich weiter innen von einer Nachprallkühlmittel-Plenumkammer befindet. Die Turbinenlaufschaufel kann eine Plattform an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt und einem Fuss aufweisen, wobei die Laufschaufel einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal enthält, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuss aus bis zu wenigstens der ungefähren radialen Höhe der Plattform erstreckt. Im Betrieb weist der innere Kühlkanal einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich auf, wobei entlang einer Seite, die mit einer Druckseite des Schaufelblattes zusammenfällt, eine Druckseite der Plattform eine Oberseite enthält, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand erstreckt.

[0015] Diese und weitere Merkmale des vorliegenden Anmeldegegenstandes erschliessen sich bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0016] Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden beim sorgfältigen Studium der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen umfassender verstanden und erkannt, worin zeigen:

[0017] Fig. 1 eine Perspektivansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;

[0018] Fig. 2 eine Unterseitenansicht einer Turbinenlaufschaufel, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;

[0019] Fig. 3 eine Schnittansicht von benachbarten Turbinenlaufschaufeln mit einem Kühlsystem gemäss einer herkömmlichen Konstruktion;

[0020] Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Turbinenlaufschaufel, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen aufweist, gemäss einer herkömmlichen Konstruktion;

[0021] Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Turbinenlaufschaufel, die eine Plattform mit inneren Kühlkanälen aufweist, gemäss einer alternativen herkömmlichen Konstruktion;

[0022] Fig. 6 eine Perspektivansicht einer Turbinenlaufschaufel und eines Plattformpralleinsatzes im demontierten Zustand entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0023] Fig. 7 eine zum Teil aufgeschnittene Draufsicht auf die Turbinenlaufschaufel und den Plattformpralleinsatz, gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0024] Fig. 8 eine zum Teil aufgeschnittene Seitenansicht der Turbinenlaufschaufel und des Plattformpralleinsatzes gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0025] Fig. 9 eine zum Teil aufgeschnittene Seitenansicht der Turbinenlaufschaufel und des Plattformpralleinsatzes gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0026] Fig. 10 eine Perspektivansicht eines Pralleinsatzes gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0027] Fig. 11 eine Perspektivansicht eines Pralleinsatzes gemäss einer modifizierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

[0028] Fig. 12 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0029] Es ist verständlich, dass Turbinenschaufeln, die über die innere Zirkulation eines Kühlmittels gekühlt werden, gewöhnlich einen inneren Kühlkanal 116 enthalten, der sich von dem Fuss aus radial nach aussen durch die Plattformregion hindurch und in das Schaufelblatt hinein erstreckt, wie dies vorstehend in Bezug auf verschiedene herkömmliche Kühlkonstruktionen beschrieben ist. Es ist verständlich, dass bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit herkömmlichen Kühlmittelkanälen verwendet werden können, um eine effiziente aktive Plattformkühlung zu verbessern oder zu ermöglichen, so dass die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer üblichen Konstruktion erläutert ist: einem inneren Kühlkanal 116 mit einer sich windenden oder serpentinenförmigen Konfiguration. Wie in den Fig. 7, 10und 11 dargestellt, ist der serpentinenförmige Pfad gewöhnlich konfiguriert, um eine Strömung eins Kühlmittels in einer Richtung zu ermöglichen, und er enthält Merkmale, die den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der umgebenden Laufschaufel 100 unterstützen. Im Betrieb wird ein unter Druck stehendes Kühlmittel, das gewöhnlich aus dem Verdichter abgezapfte Druckluft ist (obwohl andere Kühlmittelarten, wie beispielsweise Dampf, bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden können) zu dem inneren Kühlkanal 116 über eine durch den Fuss 104 hindurch geschaffene Verbindung geliefert. Der Druck treibt das Kühlmittel durch den inneren Kühlkanal 116 hindurch, und das Kühlmittel führt durch Konvektion Wärme von den umgebenden Wänden ab.

[0030] Es ist zu verstehen, dass das Kühlmittel, während es durch den Kühlkanal 116 strömt, an Druck verliert, wobei das Kühlmittel in den stromaufwärtigen Abschnitten des inneren Kühlkanals 116 einen höheren Druck als das Kühlmittel in stromabwärtigen Abschnitten aufweist. Wie in grösseren Einzelheiten nachstehend erläutert, kann diese Druckdifferenz verwendet werden, um das Kühlmittel über oder durch Kühlkanäle, die in der Plattform ausgebildet sind, zu treiben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in Laufschaufeln 100 verwendet werden kann, die innere Kühlkanäle mit unterschiedlichen Konfigurationen aufweisen, und sie nicht auf innere Kühlkanäle mit einer serpentinenartigen Form beschränkt ist. Demgemäss soll der Ausdruck «innerer Kühlkanal» oder «Kühlkanal», wie er hierin verwendet wird, bedeuten, dass er einen beliebigen Durchgang oder hohlen Kanal umfasst, durch den ein Kühlmittel in der Laufschaufel strömen gelassen werden kann. Wie hierin vorgesehen, erstreckt sich der innere Kühlkanal 116 gemäss der vorliegenden Erfindung bis wenigstens zu der ungefähren radialen Höhe der Plattform 116, und er kann wenigstens einen Bereich mit relativ höherem Kühlmitteldruck (der hier nachstehend als ein «Bereich mit hohem Druck» bezeichnet wird und in einigen Fällen ein stromaufwärtiger Abschnitt innerhalb eines serpentinenförmigen Kanals sein kann) und wenigstens einen Bereich mit relativ niedrigerem Kühlmitteldruck enthalten (der hier nachstehend als ein «Bereich mit niedrigem Druck» bezeichnet wird und im Verhältnis zu dem Bereich mit hohem Druck ein stromabwärtiger Abschnitt innerhalb eines serpentinenförmigen Kanals sein kann).

[0031] Im Allgemeinen sind die verschiedenen Konstruktionen der herkömmlichen inneren Kühlkanäle 116 bei der Erzielung einer aktiven Kühlung für bestimmte Bereiche innerhalb der Laufschaufel 100 wirksam. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet jedoch erkennen wird, erweist sich die Plattformregion als mehr herausfordernd. Dies rührt wenigstens zum Teil von der ungünstigen Geometrie der Plattform - d.h. ihrer geringen radialen Höhe und der Art und Weise, in der sie von dem Kern oder Hauptkörper der Laufschaufel 100 vorragt - her. Jedoch sind bei ihren gegebenen Belastungen durch die extremen Temperaturen des Heissgaspfades und die hohe mechanische Beanspruchung die Kühlanforderungen der Plattform beträchtlich. Wie vorstehend beschrieben, sind herkömmliche Plattformkühlkonstruktionen ineffektiv, weil sie die speziellen Herausforderungen der Region nicht bewältigen, bei ihrer Nutzung des Kühlmittels ineffizient und/oder kostspielig herzustellen sind.

[0032] Fig. 6 bis 12 zeigen verschiedene Ansichten beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf Fig. 6ist eine Perspektivansicht einer Turbinenlaufschaufel 100 und eines Pralleinsatzes 130 gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie veranschaulicht, enthält die vorliegende Erfindung allgemein einen lösbaren Pralleinsatz 130, der in einer Turbinenlaufschaufel 100 installiert ist. Insbesondere kann die Plattform 110 der Laufschaufel 100 einen Plattformschlitz 134 enthalten, der derart ausgebildet ist, dass der Pralleinsatz 130 darin hinein passt. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie veranschaulicht, kann der Plattformschlitz in der druckseitigen Kante oder Schlitzseitenwand 126 positioniert sein, obwohl andere Stellen entlang der anderen Kanten der Plattform 110, wie beispielsweise die saugseitige Schlitzseitenwand 122, ebenfalls möglich sind. Der Plattformschlitz 134 kann eine rechteckig gestaltete Mundöffnung aufweisen und kann beschrieben werden, wie er eine äussere Oberfläche oder Decke 135 und eine innere Oberfläche oder einen Boden 136 enthält. Wie veranschaulicht, kann die Mundöffnung derart konfiguriert sein, dass sie in der Radialrichtung relativ dünn und in der Axialrichtung relativ weit ist. Es versteht sich, dass sich der Plattformschlitz 134 von der Mundöffnung aus in Umfangsrichtung in die Plattform 110 hinein erstreckt, wodurch darin ein Hohlraum ausgebildet ist.

[0033] Der Plattformpralleinsatz 130 kann eine ebene, dünne scheibenartige/plattenförmige Gestalt aufweisen und kann derart konfiguriert sein, dass er in den Plattformschlitz 134 hineinpasst und allgemein ein ähnliches Profil (d.h. aus dem Blickwinkel der Fig. 7) wie der Plattformschlitz 134 aufweist. Der Pralleinsatz 130 kann mehrere Prallöffnungen 132 enthalten, deren Funktion in grösseren Einzelheiten nachstehend erläutert ist. Der Pralleinsatz 130 kann ferner einen Abstandshalter 138 enthalten, der sich von einer äusseren Fläche aus erstreckt. Ausserdem kann ein Verschluss 137 enthalten sein, der die Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 umschliesst. Der Verschluss 137 weist, wie veranschaulicht, eine flache, rechteckige Aussenfläche auf, die, wenn der Pralleinsatz 130 in dem Plattformschlitz 134 richtig eingebaut ist, die Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 im Wesentlichen bedeckt, versperrt oder abdichtet. In einigen bevorzugten Ausführungsformen verhindert der Verschluss 137, wie in grösseren Einzelheiten nachstehend beschrieben, dass das Kühlmittel durch die Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 aus der Schaufel 100 austritt.

[0034] Die Gestalt des Plattformschlitzes 134 kann variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 7 deutlicher veranschaulicht, kann sich der Plattformschlitz 134 in Umfangsrichtung von der druckseitigen Schlitzseitenwand oder Kante 126 aus erstrecken. Es versteht sich, dass sich der Plattformschlitz 134 in dieser bevorzugten Ausführungsform in seinem Verlauf von der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 zu der Mitte der Plattform 110 hin verengt. Die Verengung kann im Wesentlichen dem gekrümmten Profil entsprechen, das an der Verbindung zwischen der Schaufelblattdruckfläche 106 und der Plattform 110 ausgebildet ist. An sich kann der Plattformschlitz 134 im Profil (d.h. in der Form unter dem Blickwinkel nach Fig. 7) eine gekrümmte Rückwand oder innere Wand aufweisen, die mit dem gekrümmten Profil der Schaufelblattdruckfläche 106 in enger Beziehung steht. Es sollte für Fachleute auf dem Gebiet erkennbar sein, dass andere Konfigurationen des Plattformschlitzes 134 ebenfalls verwendet werden können. Jedoch wird erkannt, dass die bevorzugten Ausführungsformen gemäss den Fig. 6bis 11die Kühlanforderungen für einen grossen Abdeckungs- bzw. Wirkbereich, der einige der schwerer zu kühlenden Bereiche innerhalb der Plattform 110 enthält, effektiv bewältigen. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass weitere Leistungsvorteile und Effizienzen möglich sind.

[0035] Der Pralleinsatz 130 und der Plattformschlitz 134 können derart konfiguriert sein, dass im zusammengebauten Zustand zwei radial gestapelte Plenumkammern 139, 140 innerhalb des Plattformschlitzes 134 ausgebildet sind. Insbesondere, wie in Fig. 8 deutlicher veranschaulicht, halbiert der Pralleinsatz 130 im Wesentlichen den Plattformschlitz 134, so dass eine erste Plenumkammer 139 («die auch als eine innere Plenumkammer» oder «Vorprall-Plenumkammer» bezeichnet werden kann) entlang der Unterseite des Pralleinsatzes 130 ausgebildet ist, und eine zweite Plenumkammer 140 (die auch als eine «äussere Plenumkammer» oder «Nachprall-Plenumkammer» bezeichnet werden kann) entlang der Oberseite des Pralleinsatzes 130 ausgebildet sind.

[0036] Wie am deutlichsten in den Fig. 7und 8 veranschaulicht, können zwei Verbindungseinrichtungen, eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 und eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149, vorgesehen sein, um den inneren Kühlkanal 116 in einer gewünschten Weise mit dem Plattformschlitz 134 zu verbinden. Während dies nicht speziell angezeigt ist, versteht es sich, dass die folgende Beschreibung annimmt, dass die stromaufwärtigen Abschnitte des inneren Kühlkanals 116 sich näher zu der Vorderkante 107 der Laufschaufel 100 hin befinden und dass sich die stromabwärtigen Abschnitte des inneren Kühlkanals 116 näher zu der Hinterkante 108 der Turbinenschaufel 100 hin befinden. Obwohl diese Konfiguration gewöhnlich verwendet wird, ist sie für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, da die Anordnung des Plattformschliztes 134 und der Verbindungseinrichtungen 148, 149 angepasst werden kann, um anderen Konfigurationen zu entsprechen.) Wie in Fig. 8veranschaulicht, ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 mit dem Plattformschlitz 134 an einer weiter innen liegenden radialen Position als die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 verbunden. Auf diese Weise kann die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 konfiguriert sein, um mit der äusseren Plenumkammer 140 verbunden zu sein, während die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 konfiguriert sein kann, um mit der inneren Plenumkammer 139 verbunden zu sein.

[0037] Fig. 9 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 9 ist der Plattformschlitz 134 mit einem Absatz oder einer Kerbe 151 konfiguriert, der bzw. die den Pralleinsatz 130 an seinem Umfangsrand haltern kann. Wie veranschaulicht, kann weiterhin ein Abstandshalter 138 zur Abstützung entlang der zentralen Bereiche des Einsatzes 130 enthalten sein, oder in anderen Ausführungsformen kann der Abstandshalter 138 gänzlich entfernt sein. Es versteht sich, dass die Kerbe 151 die Abdichtung um den Einsatz 130 herum verbessern kann, so dass mehr von dem Kühlmittel durch die Prallöffnungen hindurch geleitet wird. Falls ein Absatz 151 verwendet wird, versteht es sich, dass der Absatz derart ausgebildet sein wird, dass die Zentrifugalbelastung während eines Betriebs der Maschine den Einsatz 130 gegen den Absatz 151 drückt, und dass der Absatz 151 derart konfiguriert sein wird, dass, wenn dies auftritt, der Einsatz 151 an einer gewünschten Position gehalten wird.

[0038] Im Betrieb kann ein Kühlmittel in den inneren Kühlkanal 116 an einer Position in der Nähe der Vorderkante 107 des Schaufelblattes 102 eintreten und abwechselnd radial nach aussen / nach innen durch den inneren Kühlkanal 116 strömen, während es sich in einer Richtung nach hinten schlängelt. Wie veranschaulicht, kann die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 derart konfiguriert sein, dass ein stromaufwärtiger (und einen höheren Druck aufweisender) Abschnitt des inneren Kühlkanals 116 mit einem vorbestimmten Abschnitt des Plattformschlitzes 134 strömungsmässig kommuniziert, der, wie beschrieben, die innere Plenumkammer 139 bildet. Ferner kann die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 derart konfiguriert sein, dass ein stromabwärtiger Abschnitt des inneren Kühlkanals mit einem vorbestimmten Abschnitt des Plattformschlitzes 134 strömungsmässig kommuniziert, der, wie beschrieben, die äussere Plenumkammer 140 bildet.

[0039] Obwohl in manchen Ausführungsformen der Einsatz 130 an einer bevorzugten Stelle starr befestigt sein kann, kann in einer bevorzugten Ausführungsform zugelassen werden, dass der Pralleinsatz 130 nach Montage in dem Plattformschlitz 134 frei schwebend bleibt. Das heisst, der Pralleinsatz 130 wird in dem Plattformschlitz 134 positioniert und nicht an irgendeiner der Wände des Plattformschlitzes 134 befestigt. Der Verschluss 137 kann anschliessend dazu verwendet werden, die Mundöffnung des Plattformschlitzes 134 dichtend zu verschliessen. Dadurch kann der Einsatz 130 innerhalb des Plattformschlitzes 134 gehalten werden, wobei ihm dennoch eine gewisse Bewegung gestattet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform stimmt das Profil des Plattformeinsatzes 130 mit dem Profil des Plattformschlitzes 134 eng überein, wobei das Profil des Plattformeinsatzes 130 nur etwas kleiner ist. In diesem Fall versteht es sich, dass, sobald der Plattformeinsatz 130 in dem Plattformschlitz 134 platziert ist, der Einsatz 130 ein geringes Spiel zwischen seinem Aussenumfang und den umgebenden Wänden des Schlitzes 134 und auf einer Seite dem Verschluss 137 aufweist. Der Einsatz 130 wird auf diese Weise im Wesentlichen an einer deutlichen Bewegung in der Axial- und Umfangsrichtung gehindert. In einigen Ausführungsformen ist, wie veranschaulicht, die radiale Höhe des Pralleinsatzes 130 deutlich kleiner als die radiale Höhe des Plattformschlitzes 134. Diese Konfiguration kann dem Einsatz 130 eine gewisse begrenzte Bewegung in der Radialrichtung ermöglichen.

[0040] Der Verschluss 137 kann mittels herkömmlicher Verfahren abgedichtet werden. Dies kann erfolgen, um den Einsatz 130 in dem Schlitz 134 zu haltern und auch um einen Leckstrom durch die Schlitzseitenwand und/oder das Austreten von Kühlmittel in den Heissgaspfad an dieser Stelle zu verhindern oder zu vermeiden. Es versteht sich, dass das Verhindern eines Leckstroms durch die druckseitige Schlitzseitenwand 126 bedeutet, dass im Wesentlichen das gesamte Kühlmittel, das durch den Plattformschlitz 134 strömt, zurück in den inneren Kühlkanal 116 geleitet wird, wo es ferner zur Kühlung anderer Bereiche der Schaufel 100 genutzt oder auf irgendeine sonstige Weise verwendet werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann der Verschluss 137 eine begrenzte Anzahl von (nicht veranschaulichten) Prallöffnungen enthalten, die eine prallbeaufschlagte Kühlmittelströmung innerhalb des Schlitzseitenwandhohlraums, der zwischen zwei eingebauten Laufschaufel ausgebildet ist, leiten.

[0041] Wie am deutlichsten in den Fig. 10und 11veranschaulicht, enthält der Pralleinsatz 130, um eine Kühlung der Plattform 110 zu erzielen, allgemein mehrere Prallöffnungen 132. Die Prallöffnungen 132 des Einsatzes 130 können in mehreren Reihen angeordnet sein, obwohl andere Konfigurationen möglich sind. Der Pralleinsatz 130 kann, wie veranschaulicht, eine gekrümmte Kante 154 und eine gerade Kante 155 enthalten. In einer Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes kann die gekrümmte Kante 154 hinsichtlich der Gestalt mit dem gekrümmten Profil des Schaufelblattes 102 ungefähr übereinstimmen. Die Reihen der Prallöffnungen 132 können im Wesentlichen senkrecht oder schräg zu der geraden Kante 155 des Pralleinsatzes 130 ausgerichtet sein. Jedoch können die Prallöffnungen 132 in jeder beliebigen anderen Konfiguration (z.B. gestaffelt) angeordnet sein, ohne von dem Umfang des vorliegenden Anmeldegegenstandes abzuweichen.

[0042] Es versteht sich, dass die Prallöffnungen 132 konfiguriert sein können, um prallbeaufschlagte Hochgeschwindigkeits-Kühlmittelströme gegen die Decke 135 des Plattformschlitzes 134 zu richten. Da die Decke 135 über einem relativ schmalen Abschnitt der Plattform 134 der Plattformoberseite 113 gegenüberliegt, bietet eine Kühlung der Decke 135 auf diese Weise eine effektive Möglichkeit zur Kühlung der Plattformoberseite 113, die, da sie während eines Betriebs unmittelbar dem Heissgaspfad ausgesetzt ist, einen bedürftigen Bereich bildet. Wie ausgeführt, werden diese Kühlmittelströme durch den Differenzdruck getrieben, der zwischen den Stellen vorliegt, an denen die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 und die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 mit dem inneren Kühlkanal 160 verbunden sind. Es versteht sich, dass eine derartige Prallkühlung den Kühleffekt des durch den Plattformschlitz 134 strömenden Kühlmittels verstärken kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung können die Prallöffnungen 132 eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt aufweisen. Jedoch können auch andere Formen der Prallöffnungen 132, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, kubische, prismatische und dergleichen, möglich sein. Ferner können die Prallöffnungen 132 im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Pralleinsatzes 130 ausgerichtet sein. Die Prallöffnungen 132 können auch schräg in Bezug auf die Oberfläche des Pralleinsatzes 130 ausgerichtet sein, ohne dass von dem Umfang des vorliegenden Anmeldegegenstandes abgewichen wird.

[0043] Wie ausgeführt, kann der Pralleinsatz 130 in einer Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes einen Abstandshalter 138 enthalten. Es versteht sich, dass während des Betriebs Zentrifugalbelastungen den Einsatz 130 gegen die Decke 135 des Plattformschlitzes 134 drücken werden. Die Abstandshalter 138 können somit dazu verwendet werden, die radiale Höhe der ersten und der zweiten Plenumkammer 139, 140 während des Betriebs der Maschine einzurichten. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 10veranschaulicht, kann der Abstandshalter 138 mehrere zylindrische Vorsprünge aufweisen. Die Vorsprünge können die gleiche Höhe aufweisen, so dass die Höhe der zweiten Plenumkammer 140 quer durch den Plattformschlitz 134 während des Betriebs relativ konstant ist. Es versteht sich, dass die Höhe der zweiten Plenumkammer 140 (d.h. die Höhe des Abstandshalters 138) auf einem Abstand, bei dem die Prallkühlung der Decke 135 eine gewünschte Wärmeübertragungscharakteristik aufweist oder geeignet maximiert ist, basieren kann.

[0044] In einer anderen Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes, wie in Fig. 11veranschaulicht, kann der Abstandshalter 138 eine erhöhte Kante bzw. einen erhöhten Rand enthalten, die bzw. der sich um den Umfang des Pralleinsatzes 130 herum erstreckt. In diesem Fall wird die Konfiguration des Abstandshalters 138 dazu verwendet, die Trennung oder Abdichtung zwischen der ersten Plenumkammer 139 und der zweiten Plenumkammer 140 zu verbessern, da eine Zentrifugalbelastung im Betrieb die erhöhte Kante 138 gegen die Schlitzdecke 135 drückt. Es versteht sich, dass dies die Menge des Kühlmittels, das durch diesen potentiellen Leckagepfad strömt, verringert, was die Menge des Kühlmittels verringern würde, das die Prallöffnungen 132 umströmt, und wodurch die Kühlleistung verbessert wird, indem mehr Kühlmittel durch den vorgesehenen Pfad getrieben wird.

[0045] In einer Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes kann die erste Plenumkammer 139 wenigstens einen Einlass oder Einlasskanal (der als eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 bezeichnet werden kann) enthalten, der mit dem Hochdruckbereich des inneren Kühlkanals 116 in Strömungsverbindung steht. Die zweite Plenumkammer 140 kann wenigstens einen Auslass oder Auslasskanal (der als eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 bezeichnet werden kann) enthalten, der mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals 116 in Strömungsverbindung steht. In verschiedenen Ausführungsformen des vorliegenden Anmeldegegenstandes kann/können die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 und/oder die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 durch ein oder mehrere Verfahren, z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, maschinelle Bearbeitung, Giessen, und dergleichen, hergestellt werden.

[0046] Während des Betriebs kann das durch den Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals 116 strömende Kühlmittel in die erste Plenumkammer 139 über die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 eintreten. Anschliessend kann das Kühlmittel durch die Prallöffnungen 132 zu der zweiten Plenumkammer 140 strömen und im Wesentlichen die Prallkühlung der Plattform 110 bewerkstelligen, indem es gegen die Decke 135 des Plattformschlitzes 134 prallt. Das Kühlmittel kann anschliessend aus der zweiten Plenumkammer 140 zu dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals 116 über die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 austreten. Wie erläutert, können die erste Plenumkammer 139 und die zweite Plenumkammer 140 aufgrund der vorerwähnten funktionalen Beziehung zwischen verschiedenen Komponenten auch als eine Vorprall-Plenumkammer bzw. eine Nachprall-Plenumkammer bezeichnet werden.

[0047] Die vorliegende Erfindung enthält ferner ein neues Verfahren zur Erzeugung effektiver innerer Kühlkanäle innerhalb der Plattformregion der Laufschaufel auf eine kostengünstige und effiziente Weise. Wie in Fig. 12veranschaulicht, kann in einem Anfangsschritt 202 der Plattformschlitz 134 in der druckseitigen Schlitzseitenwand 126 der Plattform 110 erzeugt werden. Aufgrund der relativ unkomplizierten Gestalt des Plattformschlitzes 134 kann dieser unter Verwendung herkömmlicher maschineller Bearbeitungs- oder vereinfachter Giessprozesse kostengünstig erzeugt werden. Teure Giessprozesse, die für komplexere Konstruktionen verwendet werden, können vermieden werden.

[0048] In Schritt 204 können, nachdem der Plattformschlitz 134 ausgebildet worden ist, die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 und die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 mit einem herkömmlichen maschinellen Bearbeitungsprozess geschaffen werden. Insbesondere können die Verbindungseinrichtungen 148, 149 bei dem durch den erzeugten Plattformschlitz 134 geschaffenen Zugang mit einem herkömmlichen maschinellen Herstellungsprozess oder Bohrprozess mit Sichtverbindung erzeugt werden.

[0049] Gesondert kann in einem Schritt 206 der Plattformpralleinsatz 130 auf eine gewünschte Weise hergestellt werden, wobei dessen Grösse und Gestalt in gewünschter Weise mit der Grösse des Plattformschlitzes 134 in Beziehung stehen, wie dies vorstehend erläutert ist.

[0050] In Schritt 208 kann der Pralleinsatz 130 anschliessend in dem Plattformschlitz 134 eingebaut werden. Wie ausgeführt, kann der Pralleinsatz 130 in einer bevorzugten Ausführungsform innerhalb des Schlitzes 134 positioniert, jedoch nicht an irgendeiner der Wände des Schlitzes 134 befestigt werden, d.h. der Einsatz 130 kann frei schwebend bleiben.

[0051] Schliesslich kann im Schritt 210 der Verschluss 137 eingebaut werden. Dies kann mittels herkömmlicher Verfahren erfolgen und kann, wie beschrieben, den Schlitz 134 dichtend verschliessen, so dass das Kühlmittel, das in den Schlitz 134 von den inneren Kühlkanälen 116 der Schaufel 100 einströmt, zurückgeführt wird.

[0052] Im Betrieb kann die Kühlvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung wie folgt funktionieren. Ein Teil des zugeführten Kühlmittels, das durch den inneren Kühlkanal 116 strömt, tritt in die innere oder Vorprall-Plenumkammer 139 durch die Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148 ein. Das Kühlmittel wird durch die Prallöffnungen 132 des Einsatzes 130 hindurch aufprallen gelassen und in die äussere oder Nachprall-Plenumkammer 140 hinein sowie in Richtung auf die Decke 145 des Schlitzes 134 gerichtet, wo das Kühlmittel durch Konvektion Wärme aus der Plattform 110 ableitet. Aus der Nachprall-Plenumkammer 140 kann das Kühlmittel zu dem inneren Kühlkanal 116 der Schaufel 100 über die Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149 zurückgeführt werden. Auf diese Weise entnimmt die Plattformkühleinrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung einen Teil des Kühlmittels aus dem inneren Kühlkanal 116, nutzt das Kühlmittel, um Wärme aus der Plattform 110 abzuführen und führt anschliessend das Kühlmittel zu dem inneren Kühlkanal 116 zurück, wo es weiter genutzt werden kann.

[0053] Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung einen Mechanismus bietet, durch den die Plattformregion einer Laufschaufel einer Verbrennungsturbine aktiv gekühlt werden kann. Wie ausgeführt, lässt sich dieser Bereich gewöhnlich schwer kühlen, und er stellt bei den gegebenen mechanischen Belastungen dieses Bereichs eine Stelle dar, die stark leidet, wenn die Feuerungstemperaturen erhöht werden. Demgemäss stellt diese Art einer aktiven Plattformkühlung eine wesentliche umsetzbare Technologie dar, wenn höhere Feuerungstemperaturen, erhöhte Leistungsabgabe und ein grösserer Wirkungsgrad angestrebt werden.

[0054] Ferner ist es verständlich, dass der lösbare Plattformpralleinsatz 130 gemäss der vorliegenden Anmeldung eine grössere Flexibilität bei der Umgestaltung, Neukonfiguration oder Nachrüstung oder Abstimmung der Kühleinrichtungen an existierenden Laufschaufeln bietet. Das heisst, der Plattformpralleinsatz 130 ermöglicht dem durch die Plattform 110 führenden Kühlkreislauf, auf eine kostengünstige und komfortable Weise ersetzt zu werden, falls sich die Betriebsbedingungen verändern oder eine stärkere Kühlung durch die Plattformregion erforderlich ist. Ausserdem ist die austauschbare Struktur während der Testphase insofern besonders hilfreich, als alternative Konstruktionen bequemer getestet werden können. Der lösbare Einsatz ermöglicht ferner die vereinfachte Erzeugung von Prallkühlstrukturen. Während früher derartige komplexe Geometrien notwendigerweise einen kostspieligen Giessprozess bedeuteten, lehrt die vorliegende Anmeldung Verfahren, mit denen innere Prallkühlstrukturen durch eine Kombination aus einfachen maschinellen Herstellungs- und/oder vereinfachten Giessprozessen erzeugt werden können. Schliesslich lehrt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren, durch das die Plattform 110 unter Verwendung innerer Kanäle gekühlt werden kann, die von der Plattform 110 selbst nicht unmittelbar in den Heissgaspfad entlüften. Wie ausgeführt, erhöht diese «Rezyklierung» des Kühlmittels allgemein die Effizienz seiner Nutzung, was den Wirkungsgrad der Maschine steigert.

[0055] Ferner kann der Einsatz 130, wie beschrieben, innerhalb des Plattformschlitzes 134, frei schwebend bleiben, was verschiedene Leistungsvorteile ergibt. Zunächst kann die Bewegung einen Dämpfungseffekt haben, der verwendet werden könnte, um einen Teil der unerwünschten Schwingung, die während eines Maschinenbetriebs auftritt, zu beseitigen oder zu reduzieren. Ferner wird ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass die frei schwebende Beschaffenheit der Anordnung durch Wärme hervorgerufene Beanspruchung in der Laufschaufel verhindern würde, wodurch Plattformbelastungen reduziert werden.

[0056] Wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, können die vielen variierenden Merkmale und Konfigurationen, wie sie vorstehend in Bezug auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben sind, ferner wahlweise angewandt werden, um weitere mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Der Kürze wegen und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Fachmanns auf dem Gebiet sind nicht alle möglichen Ausführungsformen bereitgestellt oder im Einzelnen erläutert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die durch die verschiedenen nachstehenden Ansprüche oder in sonstiger Weise umfasst sind, einen Teil der vorliegenden Anmeldung darstellen sollen. Ausserdem werden Fachleute auf dem Gebiet anhand der vorstehenden Beschreibung verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der. Erfindung Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen erkennen. Derartige Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb der Fachkenntnisse sollen durch die beigefügten Ansprüche umfasst sein. Ferner sollte erkannt werden, dass das Vorstehende lediglich die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung anbetrifft und dass daran zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Wesen und Umfang des Anmeldegegenstandes, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, und dessen äquivalenten Formen abgewichen wird.

[0057] Eine Kühlkonfiguration für eine Plattform 110 in einer Turbinenlaufschaufel 100, die enthält: einen Plattformschlitz, der durch wenigstens entweder die druckseitige Schlitzseitenwand 126 und/oder die saugseitige Schlitzseitenwand 122 hindurchführend ausgebildet ist; einen lösbar eingesetzten Pralleinsatz 130, der die Plattform 110 in zwei radial gestapelte Plenumkammern unterteilt, wobei sich eine erste Plenumkammer 139 weiter innen von einer zweiten Plenumkammer 140 befindet; eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung 148, die die erste Plenumkammer 139 mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals 116 verbindet; eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung 149, die die zweite Plenumkammer 140 mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals 116 verbindet.

Bezugszeichenliste

[0058] <tb>100<sep>Turbinenlaufschaufel <tb>102<sep>Schaufelblatt <tb>104<sep>Fuss <tb>105<sep>Saugfläche <tb>106<sep>Druckfläche <tb>107<sep>Vorderkante <tb>108<sep>Hinterkante <tb>109<sep>Schwalbenschwanz <tb>110<sep>Plattform <tb>112<sep>Schaft <tb>113<sep>Plattformoberseite <tb>114<sep>Plattformunterseite <tb>116<sep>Innerer Kühlkanal <tb>117<sep>Einlass <tb>119<sep>Hohlraum <tb>120<sep>Plattformkühlkanäle <tb>121<sep>hintere Kante <tb>122<sep>saugseitige Kante oder Schlitzseitenwand <tb>124<sep>vordere Kante <tb>126<sep>druckseitige Kante oder Schlitzseitenwand <tb>130<sep>Pralleinsatz <tb>132<sep>Prallöffnungen <tb>134<sep>Plattformschlitz <tb>135<sep>Schlitzdecke <tb>136<sep>Schlitzboden <tb>137<sep>Verschluss <tb>138<sep>Abstandshalter <tb>139<sep>erste Plenumkammer (innere Plenumkammer oder Vorprall-Plenumkammer) <tb>140<sep>zweite Plenumkammer (äussere Plenumkammer oder Nachprall-Plenumkammer) <tb>148<sep>Hochdruck-Verbindungseinrichtung <tb>149<sep>Niederdruck-Verbindungseinrichtung <tb>151<sep>Absatz oder Kerbe <tb>154<sep>gekrümmte Kante <tb>155<sep>gerade Kante

Claims (10)

1. Plattformkühleinrichtung in einer Turbinenlaufschaufel (100), die eine Plattform (110) an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt (102) und einem Fuss (104) aufweist, wobei die Laufschaufel (100) einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal (116) enthält, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuss (104) bis zu wenigstens der ungefähren radialen Höhe der Plattform (110) erstreckt, wobei im Betrieb der innere Kühlkanal (116) einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich aufweist und wobei entlang einer Seite, die mit einer Druckseite (106) des Schaufelblattes (102) zusammenfällt, eine Druckseite der Plattform (110) eine Oberseite (113) aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt (102) bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand (126) erstreckt, und entlang einer Seite, die mit einer Saugseite (105) des Schaufelblattes (102) zusammenfällt, eine Saugseite der Plattform (110) eine Oberseite (113) aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt (102) bis zu einer saugseitigen Schlitzseitenwand (122) erstreckt, wobei die Plattformkühleinrichtung aufweist: einen Plattformschlitz (134), der durch wenigstens entweder die druckseitige Schlitzseitenwand (126) und/oder die saugseitige Schlitzseitenwand (122) hindurchführend ausgebildet ist; einen lösbar eingesetzten Pralleinsatz (130), der die Plattform (110) in zwei radial gestapelte Plenumkammern, eine erste Plenumkammer (139), die sich innen von einer zweiten Plenumkammer (140) befindet, unterteilt; eine Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148), die die erste Plenumkammer (139) mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet; und eine Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149), die die zweite Plenumkammer (140) mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet; wobei der Pralleinsatz (130) mehrere Prallöffnungen (132) aufweist.

2. Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Plattform (110) eine ebene Oberseite (113) aufweist, die ungefähr parallel zu einer ebenen Unterseite (114) verläuft; der Plattformschlitz (134) eine ebene Decke (135), die sich in der Nähe der Oberseite (113) der Plattform (110) befindet, und einen ebenen Boden (136) aufweist, der sich in der Nähe der Unterseite (114) der Plattform (110) befindet; wobei der Plattformschlitz (134) durch die druckseitige Schlitzseitenwand (126) hindurchführend ausgebildet ist; der Pralleinsatz (130) eine radial dünne Plattenstruktur aufweist, die eine ebene äussere Fläche und eine ebene innere Fläche aufweist; und die Prallöffnungen (132) sich durch den Pralleinsatz (130) hindurch von der äusseren Fläche zu der inneren Fläche erstrecken und konfiguriert sind, um eine Kühlmittelströmung aufprallen zu lassen und die prallbeaufschlagte Kühlmittelströmung gegen die Decke (135) des Plattformschlitzes (134) zu richten.

3. Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Stelle, an der die Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148) mit dem Plattformschlitz (134) verbunden ist, eine vordere Position in Bezug auf die Stelle aufweist, an der die Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149) mit dem Plattformschlitz (134) verbunden ist; und wobei der Plattformschlitz (134) derart konfiguriert ist, dass von einer Mundöffnung entlang der druckseitigen Schlitzseitenwand (126) aus die axiale Weite der Plattform (134) sich verringert, während der Plattformschlitz (134) sich in Umfangsrichtung in die Plattform (110) hinein erstreckt.

4. Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei im Profil eine innere Wand des Plattformschlitzes (134) gekrümmt ist, das gekrümmte Profil hinsichtlich der Form und Position dem gekrümmten Profil der Druckseite des Schaufelblattes (102) dort, wo die Druckseite des Schaufelblattes (102) die Plattform (110) schneidet, ungefähr entspricht; und wobei die innere Wand eine Kerbe (151) aufweist, wobei die Kerbe (151) derart konfiguriert ist, dass der Umfangsrand des Pralleinsatzes (130) sich darin passgenau einsetzen lässt.

5. Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 4, wobei die innere Wand einen Absatz (151) aufweist, wobei der Absatz (151) derart konfiguriert ist, dass, wenn der Pralleinsatz (130) durch die zentrifugale Betriebsbelastung in Richtung auf die Decke (135) des Plattformschlitzes (134) vorgespannt ist, der Absatz (151) mit dem Umfangsrand des Pralleinsatzes (130) in Eingriff steht und dadurch den Pralleinsatz (130) in einer vorbestimmten Entfernung zu der Decke (135) des Plattformschlitzes (134) hält; ferner einen Verschluss (137) aufweisend, der konfiguriert ist, um die Mundöffnung des Plattformschlitzes (134) im Wesentlichen dichtend zu verschliessen, so dass im Betrieb im Wesentlichen das gesamte Kühlmittel, das durch den Plattformschlitz (134) strömt, zu dem inneren Kühlkanal (116) zurückgeführt wird.

6. Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei an der äusseren Fläche der Pralleinsatz (130) einen Abstandshalter (138) aufweist; wobei der Abstandshalter (138) einen oder mehrere steife Vorsprünge aufweist, die von der Oberfläche der äusseren Fläche um eine vorbestimmte Länge vorragen; und wobei durch die zentrifugale Betriebsbelastung in Richtung auf die Decke (135) des Plattformschlitzes (134) vorgespannten Zustand der Abstandshalter (138) konfiguriert ist, um die äussere Fläche des Pralleinsatzes (130) in einem vorbestimmten Abstand zu der Decke (135) des Plattformschlitzes (134) zu halten.

7. Plattformkühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Pralleinsatz (130) frei schwebend innerhalb des Plattformschlitzes (134) angeordnet ist.

8. Verfahren zum Erzeugen einer Plattformkühleinrichtung für eine Turbinenlaufschaufel (100), die eine Plattform (110) an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaufelblatt (102) und einem Fuss (104) aufweist, wobei die Laufschaufel (100) einen darin ausgebildeten inneren Kühlkanal (116) enthält, der sich von einer Verbindung mit einer Kühlmittelquelle an dem Fuss (104) bis zu wenigstens der ungefähren radialen Höhe der Plattform (110) erstreckt, wobei im Betrieb der innere Kühlkanal (116) einen Hochdruck-Kühlmittelbereich und einen Niederdruck-Kühlmittelbereich aufweist und wobei entlang einer Seite, die mit einer Druckseite des Schaufelblattes (102) zusammenfällt, eine Druckseite der Plattform (110) eine Oberseite (113) aufweist, die sich in Umfangsrichtung von dem Schaufelblatt (102) bis zu einer druckseitigen Schlitzseitenwand (126) erstreckt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen eines Plattformschlitzes (134) in der Plattform (110), wobei sich der Plattformschlitz (134) in Umfangsrichtung von einer in der druckseitigen Schlitzseitenwand (126) ausgebildeten Mundöffnung erstreckt; maschinelles Herstellen einer Hochdruck-Verbindungseinrichtung (148), die eine erste vorbestimmte Stelle innerhalb des Plattformschlitzes (134) mit dem Hochdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet, von dem Innenraum des erzeugten Plattformschlitzes aus; maschinelles Herstellen einer Niederdruck-Verbindungseinrichtung (149), die eine zweite vorbestimmte Stelle innerhalb des Plattformschlitzes (134) mit dem Niederdruck-Kühlmittelbereich des inneren Kühlkanals (116) verbindet, von dem Innenraum des erzeugten Plattformschlitzes aus; und Erzeugen eines Pralleinsatzes (130), der mehrere Prallöffnungen (132) enthält und eine vorbestimmte Konfiguration aufweist, die in gewünschter Weise der Grösse des Plattformschlitzes (134) entspricht; und Einbauen des Pralleinsatzes (130) innerhalb des Plattformschlitzes (134); wobei im eingebauten Zustand der Pralleinsatz (130) die Plattform (110) im Wesentlichen in zwei radial gestapelte Plenumkammern, eine Vorprallkühlmittel-Plenumkammer, die sich innen von einer Nachprallkühlmittel-Plenumkammer befindet, aufteilt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei: die erste vorbestimmte Stelle innerhalb des Plattformschlitzes (134) eine Stelle innerhalb der Vorprallkühlmittel-Plenumkammer aufweist; und die zweite vorbestimmte Stelle innerhalb des Plattformschlitzes (134) eine Stelle innerhalb der Nachprall-kühlmittel-Plenumkammer aufweist; ferner die Schritte enthaltend: Anordnen des Pralleinsatzes (130) in dem Plattformschlitz (134), so dass sich der Pralleinsatz (130) darin in einem frei schwebenden Zustand befindet; und Einbauen eines Verschlusses (137) über der Mundöffnung des Plattformschlitzes (134).

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei: der Pralleinsatz (130) eine radial dünne Plattenstruktur aufweist, die eine ebene äussere Fläche und eine ebene innere Fläche aufweist; die Prallöffnungen (132) sich durch den Pralleinsatz (130) hindurch von der äusseren Fläche zu der inneren Fläche erstrecken und konfiguriert sind, um eine Kühlmittelströmung aufprallen zu lassen und die prallbeaufschlagte Kühlmittelströmung gegen eine Decke (135) des Plattformschlitzes (134) zu richten; an der äusseren Fläche der Pralleinsatz (130) einen Abstandshalter (138) aufweist, wobei der Abstandshalter (138) einen oder mehrere steife Vorsprünge aufweist, die von der Oberfläche der äusseren Fläche um eine vorbestimmte Länge vorragen; und wenn der Pralleinsatz (130) durch die zentrifugale Betriebsbelastung in Richtung auf die Decke (135) des Plattformschlitzes (134) vorgespannt ist, der Abstandshalter (138) konfiguriert ist, um die äussere Fläche des Pralleinsatzes (130) in einem vorbestimmten Abstand zu der Decke (135) des Plattformschlitzes (134) zu halten.