CH708844A2 - Laufradanordnung zur Schaffung einer Kühlung eines Turbinenlaufrades. - Google Patents

Abstract

Eine Laufradanordnung (100) zur Schaffung einer Kühlung eines Turbinenlaufrades (44) enthält ein Laufrad (44), das mehrere Schwalbenschwanznuten (56) enthält, die längs des Umfangs um eine Umfangsfläche des Laufrades (44) beabstandet sind. Jede der Schwalbenschwanznuten (56) enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Nutzapfen (58) und ein Paar gegenüberliegender unterer Nutzapfen (58). Die Laufradanordnung (100) enthält ferner wenigstens eine Turbinenschaufel (32). Die Turbinenschaufel (32) enthält ein Schaufelblatt (40), eine Plattform (48) und einen Schwalbenschwanz (46). Der Schwalbenschwanz (46) enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) und ein Paar gegenüberliegender unterer Schwalbenschwanzzapfen (54). Der Schwalbenschwanz (46) enthält ferner wenigstens eine Einlassöffnung (72), die sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt. Das Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) enthält ein erstes Kühlloch (74), das sich durch dieses hindurch erstreckt und mit der wenigstens einen Einlassöffnung (72) in Strömungsverbindung steht.

Description

Beschreibung

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG

[0001 ] Das Gebiet der vorliegenden Offenbarung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere Verfahren und Systeme zur Kühlung von Gasturbinenrotoranordnungen.

[0002] Wenigstens einige bekannte Gasturbinen enthalten eine Rotoranordnung, die längs des Umfangs beabstandete Turbinenschaufeln enthält. Jede Turbinenschaufel, die manchmal als eine Laufschaufel bezeichnet wird, enthält ein Schaufelblatt, das sich von einer Plattform aus radial nach aussen erstreckt. Jede Turbinenschaufel enthält ferner einen Schwalbenschwanz, der sich von einem Schaft aus, der sich zwischen der Plattform und dem Schwalbenschwanz erstreckt, radial nach innen erstreckt. Der Schwalbenschwanz wird verwendet, um die Turbinenschaufel innerhalb der Rotoranordnung an einem Laufrad zu befestigen. Das Laufrad enthält mehrere in Umfangsrichtung einander abwechselnde Schwalbenschwanznuten und -Säulen, die um den Umfang des Laufrades herum verteilt sind. Jede Säule ist zwischen benachbarten Schwalbenschwanznuten definiert. Wenigstens einige bekannte Laufschaufeln enthalten innere Kühlkanäle, die durch das Schaufelblatt, die Plattform, den Schaft und den Schwalbenschwanz definiert sind. In derartigen Schaufeln wird ein Kühlfluid von einer Kühlfluidquelle, wie beispielsweise Verdichterauslassluft, die mit der Turbinenschaufel gekoppelt ist, zu den Kanälen geliefert.

[0003] Wenigstens einige bekannte Gasturbinen verwenden einen Dichtungskörper, der gewöhnlich über der Oberseite jeder Laufradsäule in einem Hohlraum angeordnet ist, der durch die Oberseite der Säule, die Schaftabschnitte benachbarter Schaufeln und die Unterseite der Plattformen benachbarter Schaufeln begrenzt ist. Der Dichtungskörper enthält eine vordere Abdeckplatte, die einen Hohlraum an der Vorderseite des Laufrades bildet. Die Temperatur der Luft innerhalb des vorderen Hohlraumes ist im Allgemeinen heisser als die der Kühlluft, die in den Schwalbenschwanzabschnitt der Schaufeln eintritt, was auf eine Leckage von Heissgasen aus dem primären Gasstrom in den vorderen Hohlraum zurückzuführen ist. An sich wird der vordere Hohlraum gewöhnlich mit dem Kühlfluid gespült. Eine Wärmeisolierung der Oberseite der Laufradsäule stellt sicher, dass die Temperatur der Laufradsäule zusätzliche Grenzen nicht überschreitet. Die Abdeckplatten ermöglichen ein Kühlen des Laufrades, wobei jedoch die Vorteile derartiger Abdeckplatten durch den Bedarf an zusätzlichem Raum für die Platten und die Notwendigkeit zusätzlicher Hardwarekomponenten aufgewogen werden kann, die die Kosten erhöhen und die Leistung der Gasturbine verringern.

[0004] Demgemäss würde es wünschenswert sein, die Laufradkühlung durch eine direkte Zuleitung von Kühlluft zu der Oberfläche der Laufradzapfen, durch Reduktion der Anzahl benötigter Hardwarekomponenten und durch Reduktion des Raumbedarfes für das Kühlsystem zu verbessern.

KÜRZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0005] In einem Aspekt ist ein System zur Kühlung einer Laufradanordnung geschaffen. Das Kühlsystem enthält ein Laufrad, das mehrere Schwalbenschwanznuten enthält, die um eine Umfangsflache des Laufrades herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Jede der Schwalbenschwanznuten enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Nutzapfen und ein Paar gegenüberliegender unterer Nutzapfen. Das Kühlsystem enthält ferner wenigstens eine Turbinenschaufel, die ein Schaufelblatt, eine Plattform und einen Schwalbenschwanz enthält. Der Schwalbenschwanz enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Schwalbenschwanzzapfen und ein Paar gegenüberliegender unterer Schwalbenschwanzzapfen. Der Schwalbenschwanz enthält ferner wenigstens eine Einlassöffnung, die sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt. Das Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen enthält ein erstes Kühlloch, das sich durch diese hindurch erstreckt und mit der wenigstens einen Einlassöffnung in Strömungsverbindung steht.

[0006] In einem weiteren Aspekt ist eine Turbine geschaffen. Die Turbine enthält eine drehbare Welle, die eine Drehachse aufweist. Die Turbine enthält ferner ein Gehäuse, das sich längs des Umfanges um die drehbare Welle herum erstreckt, wobei das Gehäuse wenigstens eine Leitung enthält, die eingerichtet ist, um ein Kühlfluid zu leiten. Die Turbine enthält ferner eine Laufradanordnung, die mit einem Teil der drehbaren Welle zur gemeinsamen Drehung mit diesem verbunden ist. Die Laufradanordnung ist eingerichtet, um ein Arbeitsfluid der Turbine zu expandieren. Die Laufradanordnung enthält ein Laufrad, das mehrere Schwalbenschwanznuten enthält, die um einen Umfang des Laufrades herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Jede der Schwalbenschwanznuten enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Nutzapfen und ein Paar gegenüberliegender unterer Nutzapfen. Die Laufradanordnung enthält ferner mehrere Turbinenschaufeln, die in einer Umfangsanordnung um die Drehachse herum angeordnet sind. Jede jeweilige Turbinenschaufel der mehreren Turbinenschaufeln enthält ein Schaufelblatt, eine Plattform und einen Schwalbenschwanz. Der Schwalbenschwanz enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Schwalbenschwanzzapfen und ein Paar gegenüberliegender unterer Schwalbenschwanzzapfen. Der Schwalbenschwanz enthält ferner wenigstens eine Einlassöffnung, die sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt und mit der Gehäuseleitung verbunden ist. Das Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen enthält ein erstes Kühlloch, das sich durch dieses hindurch erstreckt und mit der wenigstens einen Einlassöffnung in Strömungsverbindung steht.

In noch einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Kühlen eines Laufradkranzes einer Laufradanordnung geschaffen. Die Laufradanordnung enthält mehrere Turbinenschaufeln und ein Laufrad, das mehrere Schwalbenschwanznuten enthält, die um einen Umfang des Laufrades herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei jede Turbinenschaufel der mehreren Turbinenschaufeln ein Schaufelblatt mit wenigstens einem Kühlkanal, eine Plattform und einen

2 Schwalbenschwanz enthält, der wenigstens eine Einlassöffnung aufweist, die mit dem wenigstens einen Kühlkanal in Strömungsverbindung steht. Das Verfahren enthält ferner ein Ausbilden eines ersten Kühllochs durch einen oberen Zapfen des Turbinenschaufelschwalbenschwanzes in Strömungsverbindung mit der wenigstens einen Einlassöffnung. Das Verfahren enthält ferner ein Ausbilden eines Hohlraumes zwischen einer unteren Oberfläche des oberen Zapfens des Turbinenschaufelschwalbenschwanzes und einer oberen Oberfläche eines unteren Zapfens einer zugehörigen Schwalbenschwanznut. Ausserdem enthält das Verfahren ein Leiten eines Kühlfluids von einer Kühlfluidversorgungsquelle zu dem ersten Kühlloch hin. Ausserdem enthält das Verfahren ein Ausstossen des Kühlfluids aus dem ersten Kühlloch in den ersten Hohlraum hinein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0007] Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Gasturbine;

[0008] Fig. 2 veranschaulicht einen Abschnitt einer Hochdruckturbine, die bei der in Fig. 1 veranschaulichten Gasturbine verwendet wird;

[0009] Fig. 3 zeigt eine isometrische Teilschnittansicht der Gasturbine, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist und die eine beispielhafte Laufradanordnung enthält;

[0010] Fig. 4 zeigt eine vergrösserte Ansicht eines Schwalbenschwanzabschnittes der in Fig. 3 veranschaulichten Laufradanordnung;

[0011 ] Fig. 5 zeigt eine vergrösserte isometrische Ansicht eines beispielhaften Turbinenschaufelschwalbenschwanzes, der bei der in Fig. 3 veranschaulichten Laufradanordnung verwendet werden kann; und

[0012] Fig. 6 zeigt eine Vorderansicht eines Abschnittes der in Fig. 3 veranschaulichten Laufradanordnung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0013] Wie hierin verwendet, bezeichnen die Ausdrücke «axial» und «in Axialrichtung» Richtungen und Orientierungen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse einer Gasturbine verlaufen. Ausserdem bezeichnen die Ausdrücke «radial» und «in Radialrichtung» Richtungen und Orientierungen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Gasturbine verlaufen. Zusätzlich bezeichnen die Ausdrücke «Umfangs-» und «in Umfangsrichtung», wie sie hierin verwendet werden, Richtungen und Orientierungen, die bogenförmig um die Längsachse der Gasturbine verlaufen.

[0014] in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen wird auf eine Anzahl von Ausdrücken Bezug genommen, die definiert sein sollen, um die folgende Bedeutung zu haben. Die Singularformen «ein», «eine» und «der», «die» und «das» umfassen mehrere Bezugnahmen, sofern der Zusammenhang nicht deutlich das Gegenteil aussagt. Eine ungefähre Sprache, wie sie hierin überall in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewandt werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die in zusätzlicher Weise variieren könnte, ohne eine Änderung der Grundfunktion, mit der sie in Beziehung steht, zu ergeben. Demgemäss soll ein Wert, der durch einen Ausdruck oder durch Ausdrücke, wie beispielsweise «etwa» und «im Wesentlichen» modifiziert ist, nicht auf den genauen spezifizierten Wert beschränkt werden. In wenigstens einigen Fällen kann die ungefähre Sprache der Genauigkeit eines Instrumentes zur Messung des Wertes entsprechen. Hier und in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen kombiniert und/oder gegeneinander ausgetauscht werden; derartige Bereiche sind identifiziert und enthalten alle darin enthaltenen Teilbereiche, sofern der Zusammenhang oder die Sprache nicht etwas anderes vorgibt.

[0015] Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Gasturbine 10. Während Fig. 1 eine beispielhafte Gasturbine veranschaulicht, sollte beachtet werden, dass die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren zur Kühlung des Turbinenlaufrades nicht auf irgendeine spezielle Art einer Turbine beschränkt sind. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet sollte erkennen, dass die Turbinenlaufradsysteme und -verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, bei einer beliebigen Rotationsmaschine, einschliesslich eines Verdichters oder einer Dampfturbine, in einer beliebigen geeigneten Konfiguration verwendet werden können, die einer Vorrichtung, einem System und Verfahren ermöglicht, in der hierin weiter beschriebenen Weise zu funktionieren.

[0016] In der beispielhaften Ausführungsform weist die Gasturbine 10 eine Turbinenmittellinie 12 auf, und sie enthält in serieller Strömungsbeziehung einen Verdichter 16, eine Brennkammer 18 und eine Hochdruckturbine 20. Die Brennkammer 18 und die Hochdruckturbine 20 werden häufig als der Heissbereich der Gasturbine 10 bezeichnet. Eine Rotorwelle 26 koppelt die Hochdruckturbine 20 drehfest mit dem Verdichter 16. Der Verdichter 16 setzt Luft 14 unter Druck, die zu der Brennkammer 18 und verschiedenen weiteren Bereichen innerhalb der Turbine 10 geleitet wird. In der Brennkammer 18 wird Brennstoff verbrannt, um eine Heissgasströmung 28 zu erzeugen. Die Heissgasströmung 28 expandiert durch die Hochdruckturbine 20 hindurch, in der Arbeit aus der Heissgasströmung 28 entzogen wird, um den Verdichter 16 drehend anzutreiben.

[0017] Fig. 2 veranschaulicht einen Abschnitt der Hochdruckturbine 20. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Hochdruckturbine 20 eine Leitschaufel 30 und eine Turbinenschaufel 32. Ein Schaufelblatt 34, das bei der Leitschaufel 30 verwendet wird, enthält eine Vorderkante 36, die der Heissgasströmung 28 unmittelbar ausgesetzt ist. Die Leitschaufeln 30 können durch eine Luft gekühlt werden, die aus einer oder mehreren Stufen des Verdichters 16 durch ein Gehäuse 38 der Gasturbine 10 hindurch geleitet wird. Ein Schaufelblatt 40, das bei der Turbinenschaufel 32 verwendet wird, enthält eine

3 Vorderkante 42, die der Heissgasströmung 28 unmittelbar ausgesetzt ist, und eine axial gegenüberliegende Hinterkante 43. Die Turbinenschaufeln 32 können ebenfalls durch die Luft 14 gekühlt werden, die von einer oder mehreren Stufen des Verdichters 16 aus durch ein Gehäuse 38 der Gasturbine 10 hindurch geleitet wird.

[0018] In der beispielhaften Ausführungsform ist die Luft 14 als das Kühlfluid beschrieben, das verwendet wird, um die den Verbrennungsgasen ausgesetzten Komponenten, z.B. die Leitschaufeln 30 und die Turbinenschaufeln 32, zu kühlen. In alternativen Ausführungsformen kann ein anderes Fluid als die Luft 14 dazu verwendet werden, die den Verbrennungsgasen ausgesetzten Komponenten zu kühlen. Es sollte ferner erkannt werden, dass der Ausdruck «Fluid», wie er hierin verwendet wird, ein beliebiges Medium oder Material, das strömt, umfasst, wozu einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, Gas, Dampf und Luft gehören. In der beispielhaften Ausführungsform ist wenigstens ein Kühlkanal 22, der in der Turbinenschaufel 32 definiert ist, in Strömungsverbindung mit einer Kühlfluidversorgungsquellenleitung 24 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Fluidversorgungsquellenleitung 24 mit dem Verdichter 16 verbunden.

[0019] Im Betrieb saugt die Gasturbine 10 die Luft 14 in den Verdichter 16 ein. Der Verdichter 16, der mit einer hohen Drehzahl umläuft, verdichtet oder setzt die Luft 14 unter Druck und leitet einen Teil der Luft 14 zu der Brennkammer 18 und einen Teil der Luft 14 zu anderen Bereichen der Gasturbine 10 zur Verwendung bei der Kühlung von Komponenten, die der durch die Gasturbine 10 erzeugten Hitze ausgesetzt sind. Die Luft 14 wird in der Brennkammer 18 mit einem Brennstoff vermischt und gezündet, um eine Heissgasströmung 28 zu erzeugen. Die Heissgasströmung 28 wird von der Brennkammer 16 aus zu der Hochdruckturbine 20 hin geleitet, in der die Heissgasströmung 28 an Leitschaufeln 30 vorbei strömt und die Turbinenschaufeln 32 beaufschlagt, die mit einem Laufrad 44 verbunden sind. Das Laufrad 44 wird durch die auf die Turbinenschaufeln 32 aufprallende Heissgasströmung 28 in Drehung versetzt. Die Heissgasströmung 28 überträgt auch Wärme auf die Leitschaufeln 30 und die Turbinenschaufeln 32. Ein Teil der Luft 14 wird durch Kühlkanäle 22 geleitet, die in den Leitschaufeln 30 und den Turbinenschaufeln 32 ausgebildet sind, um eine Kühlung der Komponenten zu unterstützen.

[0020] Fig. 3 zeigt eine isometrische Teilschnittansicht der Gasturbine 10 unter Veranschaulichung einer beispielhaften Laufradanordnung 100. Fig. 4 zeigt eine vergrösserte Ansicht eines Schwalbenschwanzabschnittes 45 der Laufradanordnung 100 und enthält eine Turbinenschaufel 32, die mit dem Laufrad 44 verbunden ist. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Turbinenschaufeln 32 innerhalb der Hochdruckturbine 20 eingekoppelt. In alternativen Ausführungsformen kann eine (nicht veranschaulichte) Niederdruckturbine zusätzliche Energie aus der Heissgasströmung 28 entziehen, um ein (nicht veranschaulichtes) Gebläse, das stromaufwärts von dem Verdichter 16 angeordnet ist, wie beispielsweise in einer typischen Turbofan-Flugtriebwerksanordnung, anzutreiben.

[0021 ] In der beispielhaften Ausführungsform ist das Schaufelblatt 40 wenigstens teilweise hohl und ist mit einem Schwalbenschanz 46 an einer Plattform 48 integral verbunden. Die Plattform 48 definiert einen Teil einer radial inneren Begrenzung für die Heissgasströmung 28 innerhalb der Gasturbine 10. Das Schaufelblatt 40 enthält allgemein eine konkave Druckseite 50, die sich zwischen einer Vorderkante 42 und einer Hinterkante 43 erstreckt, und eine gegenüberliegende konvexe Saugseite 52. Der Schwalbenschwanz 46 enthält ein oberes Paar seitlicher oder umfangsseitiger gegenüberliegender Schwalbenschwanzzapfen 54 und ein unteres Paar von Schwalbenschwanzzapfen 54, die in einer typischen Tannenbaumanordnung eingerichtet sind. Die Schwalbenschwanzzapfen 54 haltern die Turbinenschaufel 32 in einer Schwalbenschwanznut 56, die in dem Umfang des Laufrads 44 ausgebildet ist. Die Turbinenschaufeln 32 können mit dem Laufrad 44 sicher verbunden werden, wenn ein Schwalbenschwanz 46 einer jeweiligen Turbinenschaufel 32 in eine jeweilige Schwalbenschwanznut 56 eingeführt wird. Im montierten Zustand bilden die Turbinenschaufeln 32 eine Anordnung von Laufschaufeln 32, die sich längs des Umfangs um den Aussenumfang des Laufrades 44 herum erstrecken. In der beispielhaften Ausführungsform ist jede Schwalbenschwanznut 56 zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung beabstandeten Laufradsäulen 60 definiert. Die Schwalbenschwanznut 56 enthält Nutzapfen 58, die in komplementärer Weise mit den Turbinenschaufelzapfen 54 zusammenpassen, um Druckkontaktflächen 62 bereitzustellen, durch die wenigstens Zentrifugallasten der Turbinenschaufeln 32 in das Laufrad 44 eingeleitet werden.

[0022] Bezugnehmend auf Fig. 4 sind die Schwalbenschwanzzapfen 54 um eine radiale Achse RA der Turbinenschaufel 32 symmetrisch verteilt, wobei sich die radiale Achse RA von der Turbinenmittellinie 12 der Gasturbine 10 aus radial nach aussen erstreckt. Durch die Turbinenschaufel während einer Rotation des Laufrades 44 in der Gasturbine 10 erzeugte Zentrifugallasten werden durch die Schwalbenschwanzzapfen 54 zu den Nutzapfen 58 jeder Schwalbenschanznut 56 übertragen. Folglich übertragen die Paare von Schwalbenschwanzzapfen 54 die Zentrifugallasten, die während eines Betriebs der Gasturbine 10 in die Turbinenschaufeln 32 eingeleitet werden, auf das Laufrad 44.

[0023] Fig. 5 zeigt eine vergrösserte isometrische Ansicht des Turbinenschaufelschwalbenschwanzes 46. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Schwalbenschwanz 46 einen integralen Wurzelabschnitt 64, der sich zwischen unteren Schwalbenschwanzzapfen 54 in Umfangsrichtung erstreckt. Der Wurzelabschnitt 64 ist ein integraler Fortsatz der unteren Schwalbenschwanzzapfen 54 und befindet sich radial innen von und unter den Zapfen 54. Die Turbinenschaufel 32 kann integral, z.B. durch Giessen einer geeigneten Superlegierung, die in der Lage ist, den Temperaturen und Belastungen, die in der Hochdruckturbine 20 erzeugt werden, zu widerstehen, hergestellt werden. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Wurzelabschnitt 64 eine Aussparung 66, die benachbart zu einer vorderen Endwand 68 des Schwalbenschwanzes 46 definiert ist. Alternativ kann sich der Wurzelabschnitt 64 von der vorderen Endwand 68 aus zu einer gegenüberliegenden hinteren Endwand 70 erstrecken, kann eine (nicht veranschaulichte) Lippe enthalten, die sich an der vorderen Endwand 68 radial nach innen erstreckt, oder kann in einer beliebigen Gestalt ausgebildet sein, die der Gastur-

4 bine 10 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. In der beispielhaften Ausführungsform ermöglicht der Wurzelabschnitt 64 eine Verbesserung der strukturellen Integrität und Festigkeit des Schwalbenschwanzes 46.

[0024] In der beispielhaften Ausführungsform ist das Schaufelblatt 40 wenigstens teilweise hohl und enthält innere Kühlkanäle 22. Die Kühlkanäle 22 können z.B., ohne Beschränkung, Bohrlöcher, serpentinenförmige Durchgänge, die mit rippenartigen Turbulatoren ausgekleidet sind, und Stiftkühlkörper und/oder grübchenartige Kühlregionen enthalten, die im Inneren des Schaufelblattes 20 angeordnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Schwalbenschwanz 46 mehrere axial ausgerichtete Einlassöffnungen 72, die sich in Längsrichtung durch den Schwalbenschwanz 46 hindurch erstrecken und die mit den Kühlkanälen 22, die in dem Schaufelblatt 40 ausgebildet sind, in Strömungsverbindung stehen. Aus dem Verdichter 16 abgezapfte Luft 14 wird durch die Schwalbenschwanznuten 56 hindurch und in die Einlassöffnungen 72 hinein geleitet, um die Luft 14 durch den Schwalbenschwanz 46 hindurch und in das Schaufelblatt 40 hinein zu liefern.

[0025] Fig. 6 zeigt eine Vorderansicht eines Abschnitts der Laufradanordnung 100 und veranschaulicht einen Hohlraum 78, der zwischen den oberen Zapfen 54 und den Nutzapfen 58 ausgebildet ist. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Schwalbenschwanz 46 ferner mehrere Schwalbenschwanzkühllöcher 74, die sich durch die oberen Zapfen 54 hindurch erstrecken und die mit den Einlassöffnungen 72 und/oder den Kühlkanälen 22 in Strömungsverbindung stehen. Aus dem Verdichter 16 abgezapfte Luft 14 wird durch die Schwalbenschwanznuten 56 in die Einlassöffnungen 72 hinein geleitet, bevor ein Teil durch die Schwalbenschwanzkühllöcher 74 ausgegeben wird, um die Luft 14 während eines Betriebs der (in Fig. 1 veranschaulichten) Gasturbine zu den Nutzapfen 58 zu liefern. In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich jedes Schwalbenschwanzkühlloch 74 von einer unteren Oberfläche 76 der oberen Zapfen 54 aus zu einer jeweiligen Einlassöffnung 72. Alternativ kann sich wenigstens ein Kühlloch 74 zu einer Einlassöffnung 72 erstrecken, und/ oder wenigstens ein Kühlloch 74 kann sich zu einem Kühlkanal 22 erstrecken. Die Kühllöcher 74 können axial entlang der unteren Oberfläche 76 der oberen Zapfen 54 beabstandet sein. Jedes Kühlloch 74 kann eine kleinere Querschnittsdurchflussfläche als diejenige aufweisen, die in jeder Einlassöffnung 72 definiert ist. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Kühllöcher 74 gerade zylindrische Durchgänge. Alternativ können die Kühllöcher 74 in einer beliebigen Konfiguration ausgebildet sein, die den Kühllöchern 74 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.

[0026] In der beispielhaften Ausführungsform können die Kühllöcher 74 derart eingerichtet sein, dass jedes Kühlloch 74 während eines Betriebs der Gasturbine 10 eine gewünschte auftreffende Luftströmung 14 in einen Hohlraum 78 ausstösst, der zwischen der Turbinenschaufel 32 und dem Laufrad 44 ausgebildet ist, während das Laufrad 44 aufgrund der Zentrifugalkraft, die während der Rotation der Laufradanordnung 100 bei der Betriebsdrehzahl erzeugt wird, zu einer radial äusseren Position bewegt wird. Insbesondere können die Kühllöcher 74 derart ausgerichtet sein, dass die ausgestossene Luft 14 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit gegen eine obere Oberfläche 80 des Nutzapfens 58 des Laufrades 44 aufprallen gelassen wird, wodurch die Kühleffektivität der Luft 14 vergrössert wird. Es sollte erkannt werden, dass der Hohlraum 78 und die Zapfen 54 und 58, die diesen definieren, im Allgemeinen schwer zu kühlende Bereiche der Schwalbenschwanznut 56 darstellen und dass die Kühllöcher 74, die auf diese Weise eingerichtet sind, die Erzielung einer Kühlung an diesen Bereichen ermöglichen. In einer Ausführungsform kann die ausgestossene Luft 14 aus dem Hohlraum 78 an der hinteren Endwand 70 des Schwalbenschwanzes 46 austreten. Die Luft 14 kann aus dem Hohlraum 78 in der Nähe der Endwand 70, z.B., ohne Beschränkung, durch einen nicht abgedichteten Spalt (nicht veranschaulicht), durch einen abgedichteten Spalt mit einem bekannten Leckagebereich (nicht veranschaulicht) oder durch ein Loch einer vorbestimmten Grösse in einer Dichtung oder einer Schwalbenschwanzzunge (nicht veranschaulicht) austreten.

[0027] In einer alternativen Ausführungsform können die Kühllöcher 74 derart eingerichtet sein, dass wenigstens ein Kühlloch 74 während eines Betriebs der Gasturbine 10 eine auftreffende Luftströmung 14 in den Hohlraum 78 hinein ausstösst, und wenigstens ein Kühlloch 74 kann alternativ eingerichtet sein, um die Luft 14 von dem Hohlraum 78 weg zu wenigstens einer Einlassöffnung 72 und/oder einem Kühlkanal 22 zu leiten. Der Vorteil einer derartigen Ausführungsform liegt darin, dass die Luft 14 wiederverwendet werden kann, um andere Regionen der Turbinenschaufel 32 weiter zu kühlen. Obwohl die Luft 14, die aus dem Kühlloch 74 ausgestossen wird, während des Prozesses der Kühlung des Laufrades 44 erwärmt wird, kann die Luft 14 verwendet werden, um eine weitere Kühlung an der Turbinenschaufel 32 zu erzielen, weil es Regionen im Inneren der Turbinenschaufel 32 gibt, die nicht so empfindlich auf die Temperatur der Luft 14 sind. Derartige Regionen können eine gegebene Durchflussmenge erfordern, so dass folglich die Luft 14 für einen weiteren Zweck wieder verwertet und zurück zu der Turbinenschaufel 32 geleitet werden kann, nachdem sie zur Kühlung des Laufrades 44 verwendet worden ist.

[0028] Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren ermöglichen eine Reduktion der Anzahl von Hardwarekomponenten, die zur Schaffung einer Kühlung an dem Laufrad einer Gasturbine erforderlich sind, indem ein Kühlsystem bereitgestellt wird, das eine Kühlluft zwischen den Turbinenschaufelzapfen und den komplementären Schwalbenschwanznutzapfen leitet. Insbesondere ist ein Schwalbenschwanz einer Turbinenschaufel mit einem besonderen Kühlsystem beschrieben. Der Turbinenschaufelschwalbenschwanz enthält mehrere Kühllöcher, die sich durch das obere Paar von Zapfen hindurch in die Kühlfluideinlassöffnungen des Schwalbenschwanzes hinein erstrecken. Im Gegensatz zu bekannten Gasturbinen, die typische Abdeckplattenanordnungen und Systeme zur Leitung von Kühlluft zu dem Laufrad verwenden, ermöglichen die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, folglich eine Verbesserung der Laufradkühlung durch direkte Leitung von Kühlluft unmittelbar zu der Oberfläche der Laufradzapfen, Reduktion der Anzahl von in einem Laufradkühlsystem benötigten Hardwarekomponenten und Reduktion des Raumbedarfs des Kühlsystems.

5 [0029] Beispielshafte Ausführungsformen eines Verfahrens und eines Systems zur Schaffung einer Kühlung von Turbinenkomponenten sind vorstehend im Einzelnen beschrieben. Das Verfahren und das System sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass viel mehr Komponenten von Systemen und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden können. Z.B. kann das Verfahren auch in Kombination mit anderen Turbinenkomponenten verwendet werden und ist nicht darauf beschränkt, nur bei den Gasturbinenlaufschaufeln, wie hierin beschrieben, umgesetzt zu werden. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen weiteren Gasturbinenanwendungen implementiert und genutzt werden.

[0030] Obwohl spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen des Offenbarungsgegenstands in einigen Zeichnungen veranschaulicht sein können und in anderen nicht, dient dies nur der Vereinfachung. Gemäss den Prinzipien der Offenbarung kann jedes Merkmal aus einer Zeichnung in Kombination mit einem beliebigen Merkmal irgendeiner anderen Zeichnung in Bezug genommen und/oder beansprucht werden.

[0031 ] Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren, einschliesslich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um einen Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Offenbarung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Offenbarung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.

[0032] Während die Offenbarung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass der Offenbarungsgegenstand in dem Rahmen und Umfang der Ansprüche mit Modifikationen umgesetzt werden kann.

[0033] Ein System 100 zur Schaffung einer Kühlung eines Turbinenlaufrades 44 enthält ein Laufrad 44, das mehrere Schwalbenschwanznuten 56 enthält, die längs des Umfangs um eine Umfangsfläche des Laufrades 44 beabstandet sind. Jede der Schwalbenschwanznuten 56 enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Nutzapfen 58 und ein Paar gegenüberliegender unterer Nutzapfen 58. Das System 100 enthält ferner wenigstens eine Turbinenschaufel 32. Die Turbinenschaufel 32 enthält ein Schaufelblatt 34, eine Plattform 48 und einen Schwalbenschwanz 46. Der Schwalbenschwanz 46 enthält ein Paar gegenüberliegender oberer Schwalbenschwanzzapfen 54 und ein Paar gegenüberliegender unterer Schwalbenschwanzzapfen 54. Der Schwalbenschwanz 46 enthält ferner wenigstens eine Einlassöffnung 72, die sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt. Das Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen 54 enthält ein erstes Kühlloch 74, das sich durch dieses hindurch erstreckt und mit der wenigstens einen Einlassöffnung 72 in Strömungsverbindung steht.

Bezugszeichenliste

[0034]

10 Gasturbine 12 Turbinenmittellinie 14 Kühlluft 16 Verdichter 18 Brennkammer 20 Hochdruckturbine 22 Kühlkanal

24 Kühlfluidversorgungsquellenleitung 26 Rotorwelle 28 Heissgasströmung 30 Leitschaufeln 32 Turbinenschaufel 34 Schaufelblatt 36 Vorderkante

6

Claims (1)

1. 38 Gehäuse 40 Schaufelblatt 42 Vorderkante 43 Hinterkante 44 Laufrad 45 Schwalbenschwanzabschnitt 46 Schwalbenschwanz 48 Plattform 50 Druckseite 52 Saugseite 54 Schwalbenschwanzzapfen 56 Schwalbenschwanznut 58 Nutzapfen 60 Laufradsäulen 62 Druckkontaktflächen 64 Wurzelabschnitt 66 Aussparung 68 vordere Endwand 70 hintere Endwand 72 Einlassöffnungen 74 Kühllöcher 76 untere Oberfläche 78 Hohlraum 80 obere Oberfläche 100 Laufradanordnung Patentansprüche 1. Laufradanordnung (100), die aufweist: ein Laufrad (44), das mehrere Schwalbenschwanznuten (56) aufweist, die längs des Umfangs um eine Umfangsfläche des Laufrades (44) herum beabstandet sind, wobei jede Schwalbenschwanznut (56) ein Paar gegenüberliegender oberer Nutzapfen (58) und ein Paar gegenüberliegender unterer Nutzapfen (58) aufweist; und wenigstens eine Turbinenschaufel (32), die ein Schaufelblatt (34), eine Plattform (48) und einen Schwalbenschwanz (46) aufweist, wobei der Schwalbenschwanz (46) ein Paar gegenüberliegender oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) und ein Paar gegenüberliegender unterer Schwalbenschwanzzapfen (54) aufweist, wobei der Schwalbenschwanz (46) ferner wenigstens eine Einlassöffnung (72) aufweist, die sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt, wobei das Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) ein erstes Kühlloch (74) aufweist, das sich durch dieses erstreckt und mit der wenigstens einen Einlassöffnung (72) in Strömungsverbindung steht. 2. System (100) nach Anspruch 1 , wobei die beiden gegenüberliegenden oberen Schwalbenschwanzzapfen (54) symmetrisch angeordnet sind und zu den beiden oberen Nutzapfen (58) komplementär gestaltet sind und wobei die beiden gegenüberliegenden unteren Schwalbenschwanzzapfen (54) symmetrisch angeordnet sind und zu den beiden unteren Nutzapfen (58) komplementär gestaltet sind, um die Turbinenschaufel (32) in einer der mehreren Schwalbenschwanznuten (56) zu haltern. 7 3. System (100) nach Anspruch 1 , das ferner einen Hohlraum (78) aufweist, der zwischen einer unteren Oberfläche (76) eines von dem Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) und einer oberen Oberfläche (80) eines zugehörigen einzelnen von dem Paar unterer Nutzapfen (58) definiert ist. 4. System (100) nach Anspruch 3, wobei das erste Kühlloch (74) eingerichtet ist, um ein Kühlfluid (14) aus der wenigstens einen Einlassöffnung (72) zu dem Hohlraum (78) hin zu leiten, so dass dieses auf die obere Oberfläche (80) des unteren Nutzapfens (58) aufprallt. 5. System (100) nach Anspruch 1 , wobei das Schaufelblatt (34) wenigstens teilweise hohl ist und wenigstens einen Kühlkanal (22) aufweist, der darin definiert ist, wobei der wenigstens eine Kühlkanal (22) mit der wenigstens einen Einlassöffnung (72) in Strömungsverbindung steht. 6. System (100) nach Anspruch 5, wobei das Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) ferner ein sich durch dieses hindurch erstreckendes zweites Kühlloch (74) aufweist, das mit dem wenigstens einen Kühlkanal (22) in Strömungsverbindung steht. 7. System (100) nach Anspruch 6, das ferner einen Hohlraum (78) aufweist, der zwischen einer unteren Oberfläche (76) eines von dem Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) und einer oberen Oberfläche (80) eines zugehörigen einzelnen von dem Paar unterer Nutzapfen (85) definiert ist, wobei das erste Kühlloch (74) eingerichtet ist, um ein Kühlfluid (14) von der wenigstens einen Einlassöffnung (72) zu dem Hohlraum (78) hin zu leiten, und wobei das zweite Kühlloch (74) eingerichtet ist, um das Kühlfluid (14) aus dem Hohlraum (78) zu dem wenigstens einen Kühlkanal (22) hin zu leiten. 8. Turbine (10), die aufweist: eine drehbare Welle (26), die eine Drehachse aufweist; ein Gehäuse (38), das sich längs des Umfangs um die drehbare Welle (26) herum erstreckt, wobei das Gehäuse (38) wenigstens eine Leitung (24) aufweist, die eingerichtet ist, um ein Kühlfluid (14) zu leiten; und eine Laufradanordnung (100), die mit einem Abschnitt der drehbaren Welle (26) zur gemeinsamen Drehung mit dieser gekoppelt ist, wobei die Laufradanordnung (100) eingerichtet ist, um ein Arbeitsfluid (14) der Turbine (10) zu expandieren, wobei die Laufradanordnung (100) aufweist: ein Laufrad (44), das mehrere Schwalbenschwanznuten (56) aufweist, die um einen Umfang des Laufrades (44) herum in Umfangsrichtung beabstandet sind, wobei jede Schwalbenschwanznut (56) ein Paar gegenüberliegender oberer Nutzapfen (58) und ein Paar gegenüberliegender unterer Nutzapfen (58) aufweist; und mehrere Turbinenschaufeln (32), die in einer Umfangsanordnung um die Drehachse herum angeordnet sind, wobei jede jeweilige Turbinenschaufel (32) der mehreren Turbinenschaufeln (32) ein Schaufelblatt (34), eine Plattform (48) und einen Schwalbenschwanz (46) aufweist, wobei der Schwalbenschwanz (46) ein Paar gegenüberliegender oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) und ein Paar gegenüberliegender unterer Schwalbenschwanzzapfen (54) aufweist, wobei der Schwalbenschwanz (46) ferner wenigstens eine Einlassöffnung (72) aufweist, die sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt und mit der wenigstens einen Leitung (24) verbunden ist, wobei das Paar oberer Schwalbenschwanzzapfen (54) ein erstes Kühlloch (74) aufweist, das sich durch dieses hindurch erstreckt und mit der wenigstens einen Einlassöffnung (72) in Strömungsverbindung steht. 9. Turbine (10) nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Einlassöffnung (72) mehrere axial ausgerichtete Einlassöffnungen (72) aufweist. 10. Turbine (10) nach Anspruch 9, wobei das Schaufelblatt (34) wenigstens teilweise hohl ist und mehrere Kühlkanäle (22) aufweist, die darin definiert sind, wobei die mehreren Kühlkanäle (22) mit den mehreren axial ausgerichteten Einlassöffnungen (72) in Strömungsverbindung stehen. 8