Schaufel einer Turbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (31) mit einem Fußbereich (33), einem Kopfbereich (37) und einem Schaufelblatt (35), wobei zwischen dem Fußbereich (33) und dem Schaufelblatt (35) eine Verrundung (73) gebildet ist und wobei im Bereich dieser Verrundung (73) Entlastungsschlitze (51) durch die Schaufelhinterkante (41) hindurchgehen, durch die thermische Ausdehnungen kompensiert und damit thermische Spannungen minimiert werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine entlang einer Schaufelachse gerichtete und aus einem Grundkörper gebildete Schaufel einer Turbine, umfassend einen Fußbereich, einen Kopfbereich und einem Schaufelblatt mit einer vom Fußbereich zum Kopfbereich reichende Blatthöhe. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verhinderung der Ausbreitung von Rissen im Schaufelblatt der Schaufel einer Turbine.

[0002] In Turbinen wird in einem Strömungskanal ein Strömungsmedium transportiert, um hieraus Energie zu gewinnen. Hierzu sind im Strömungskanal Turbinenschaufeln angeordnet. Zum Beispiel sind im Strömungskanal einer axialen Gasturbine in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend abwechselnd aus Leitschaufeln gebildete Leitschaufelkränze und aus Laufschaufeln gebildete Laufschaufelkränze angeordnet. Die Leitschaufeln lenken in geeigneter Weise das Strömungsmedium auf die Laufschaufeln, die mit einem Rotor verbunden sind und in Rotation versetzt werden, so dass kinetische Energie des Strömungsmediums in Rotationsenergie umgewandelt wird.

[0003] Solche Schaufeln in Strömungsmaschinen sind häufig erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Gerade bei gleichzeitig hoher Temperatur und hohen Drehzahlen, wie in einer Gasturbine, kommt es zu einer hohen Materialbeanspruchung des Schaufelmaterials. Hierdurch können sich im Schaufelmaterial Risse bilden, die sich im Laufe der Zeit bei fortgesetzter Beanspruchung ausbreiten. Schließlich kann es zu einem Versagen der Schaufel kommen, wobei die Schaufel zerbricht oder Bruchstücke herausgelöst werden. Für in Strömungsrichtung nachfolgende Schaufeln kann dies zu erheblichen Beschädigungen führen. Eine Rissbildung und Rissausbreitung ist somit zu überwachen. Je nach Geschwindigkeit der Prozesse kann es hierdurch zu einer signifikanten Reduzierung der Verfügbarkeit der Turbine kommen, da regelmäßige Serviceintervalle zu Ausfallzeiten der Turbine führen.

[0004] In der US-PS 6,490,791 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem in einem Serviceprozess Risse in der Hinterkante einer Turbinenschaufel durch ein Zurückschneiden der Hinterkante beseitigt werden. Durch ein anschließendes Verrunden des Schaufelprofils werden die durch die verkürzte Hinterkante hervorgerufenen zusätzlichen aerodynamischen Verluste gering gehalten. Dieses Verfahren kann zwar ein vollständiges Austauschen von gebrauchten gegen neue Schaufeln vermeiden, verringert aber nicht die Häufigkeit von Serviceintervallen.

[0005] In der JP 2000018001 ist eine Gasturbinenlaufschaufel gezeigt, bei der Entlastungsschlitze in Richtung der Schaufelachse zum Rand des Kopfbereiches eingebracht sind. Diese Entlastungsschlitze dienen zur Reduktion thermischer Spannungen in diesem Bereich. Durch die Reduktion thermischer Spannungen soll eine Rissbildung verringert werden. Die Entlastungsschlitze sind auf den Kopfbereich beschränkt.

[0006] Die JP 10299408 zeigt eine Gasturbinenschaufel, bei der in Bereichen hoher thermischer Spannungen elliptische Bohrungen eingebracht sind, die eine Rissausbreitung verringern sollen. Die Bohrungen sind im Übergangsbereich von Schaufelblatt und Plattform angeordnet, wobei im Schaufelblattbereich die Ellipsenhauptachse senkrecht zur Schaufelachse gerichtet ist. Eine entsprechende Ausrichtung der Bohrungen findet sich an der Hinterkante.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Turbinenschaufel, die besonders niedrigen thermischen Spannungen ausgesetzt ist.

[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine entlang einer Schaufelachse gerichtete und aus einem Grundkörper gebildete Turbinenschaufel, umfassend einen Fußbereich, einen Kopfbereich und ein Schaufelblatt mit einer vom Fußbereich zum Kopfbereich reichenden Blatthöhe und mit einer von einer Schaufelvorderkante bis zu einer Schaufelhinterkante reichende Blattbreite, wobei in einem Übergangsbereich zwischen der Schaufelhinterkante und dem Fußbereich eine Verrundung gebildet ist, wobei quer durch die Schaufelhinterkante hindurch ein Entlastungsschlitz gebildet ist.

[0009] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Schaufelhinterkante einer Turbinenschaufel in einem Bereich oberhalb des verrundeten Übergangsbereiches zwischen der Schaufelhinterkante und dem Fußbereich und in diesem verrundeten Übergangsbereich selbst besonders hohen mechanischen Spannungen ausgesetzt ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Schaufelhinterkante durch quer zu ihr verlaufende Schlitze bei entsprechender Dimensionierung nicht unzulässig mechanisch destabilisiert wird. Durch die Einführung eines Entlastungsschlitzes quer zur Schaufelhinterkante durch die Schaufelhinterkante hindurch wird nunmehr eine erhebliche Entlastung gegenüber thermischen Spannungen dadurch erreicht, dass durch den Schlitz thermische Ausdehnung kompensierbar ist.

[0010] Vorzugsweise liegt der Entlastungsschlitz in der Nähe der Verrundung. Gerade in einem Bereich in der Nähe der Verrundung unterliegt die Schaufelhinterkante besonders hohen thermischen Spannungen. Durch den Entlastungsschlitz können diese Spannungen in diesem besonders betroffenen Bereich wirksam abgebaut werden. Weiter bevorzugt liegt der Entlastungsschlitz dabei weniger als 20% von der Blatthöhe von der Verrundung entfernt. Besonders bevorzugt ist ein Abstand des Entlastungsschlitzes von der Verrundung von weniger als 10% von der Blatthöhe.

[0011] Bevorzugtermassen hat der Schlitz eine Länge von mindestens 2% der Blattbreite. In dieser Ausdehnung wird eine besonders hohe Wirkung in der Entlastung durch den Schlitz erzielt.

[0012] Vorzugsweise hat der Schlitz höchstens eine Länge von 5% der Blattbreite. Eine größere Ausdehnung der Schlitzlänge als diese 5% der Blattbreite führt nur noch zu einer vergleichsweise geringen weiteren Entlastung von thermischen Spannungen, während auf der anderen Seite durch eine zu große Schlitzlänge die mechanische Stabilität der Schaufelhinterkante leiden würde.

[0013] Vorzugsweise sind mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei Entlastungsschlitze vorgesehen. Mit mehr als zwei oder drei entlang der Schaufelachse aufeinander folgenden Entlastungsschlitzen kann ein größerer Bereich der Schaufelhinterkante von thermischen Spannungen entlastet werden. Zudem kann insgesamt höheren thermischen Spannungen entgegengewirkt werden. Vorzugsweise sind alle Entlastungsschlitze in einem Bereich kleiner als 25% der Blatthöhe von der Verrundung entfernt.

[0014] Bevorzugt sind drei Entlastungsschlitze vorgesehen, wobei ein erster, der Verrundung nächstliegender Schlitz eine erste Länge, ein zweiter, entlang der Schaufelachse dem ersten Schlitz folgender zweiter Schlitz eine zweite Länge und ein dritter, dem zweiten Schlitz entlang der Schaufelachse folgender dritter Schlitz eine dritte Länge aufweist, wobei die dritte Länge größer als die zweite Länge und die zweite Länge größer als die erste Länge ist.

[0015] Vorzugsweise ist die Turbinenschaufel eine Gasturbinenschaufel. Gasturbinenschaufeln sind besonders hohen Temperaturen ausgesetzt. Dementsprechend kommt es gerade hier zum Aufbau besonders hoher thermischer Spannungen.

[0016] Bevorzugt weist der Entlastungsschlitz auf seinem der Schaufelhinterkante gegenüberliegenden Ende eine etwa kreisförmige Erweiterung auf. Durch eine solche kreisförmige Erweiterung werden die Krümmungsradien der den Schlitz am Ende begrenzenden Flächen herabgesetzt und damit die besonders an solchen Krümmungen auftretenden Spannungen reduziert. Insbesondere ist die kreisförmige Erweiterung eine Kreisbohrung, von der aus sich der Schlitz durch die Schaufelhinterkante hindurch erstreckt. Der Schlitz ist vorzugsweise mittels eines Laserstrahls geschnitten oder er ist eingefräst.

[0017] Die oben beschriebenen Mechanismen zur Entlastung thermischer Spannungen in der Schaufelhinterkante sind gleichermaßen auch geeignet, Spannungen in der Verrundung zwischen der Schaufelhinterkante und dem Fußbereich herabzusetzen. Gerade in dieser Verrundung oder auch Kerbe können sehr hohe Spannungen auftreten. Damit ist diese Zone auch eine bevorzugte Zone für Rissbildung.

[0018] Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.

[0019] Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1

eine Gasturbine,

Figur 2

eine Gasturbinenleitschaufel und

Figur 3

einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine Gasturbinenleitschaufel im Bereich der Verrundung zwischen Schaufelhinterkante und Fußbereich.

[0020] Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

[0021] Figur 1 zeigt eine Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 ist entlang einer Turbinenachse 10 gerichtet und weist entlang der Turbinenachse 10 aufeinanderfolgend einen Verdichter 3, eine Brennkammer 5 und ein Turbinenteil 7 auf. Der Verdichter 3 und das Turbinenteil 7 sind auf einer gemeinsamen Turbinenwelle 9 angeordnet. Im Turbinenteil 7 ist ein Heißgaskanal 12 gebildet, in den Leitschaufeln 11 und Laufschaufeln 13, die auf der Turbinenwelle 9 angeordnet sind, hinein ragen.

[0022] Im Betrieb der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 3 Umgebungsluft angesaugt und zu Verdichterluft 15 komprimiert. Die Verdichterluft 15 wird mit Brennstoff in der Brennkammer 5 zu Heißgas 17 verbrannt, welches durch den Heißgaskanal 12 strömt. Dabei versetzt es über die Wirkung auf die Laufschaufeln 13 die Turbinenwelle 9 in Bewegung. Die Rotationsenergie der Turbinenwelle 9 kann z.B. zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.

[0023] Figur 2 zeigt eine Gasturbinenleitschaufel 31. Die Gasturbinenleitschaufel 31 weist einen Fußbereich 33 mit einer Plattform 34 auf. An der Plattform 34 schließt sich ein Schaufelblatt 35 an. Das Schaufelblatt 35 endet in einem Kopfbereich 37, der insbesondere auch eine Plattform aufweist, die hier aber nicht dargestellt ist. Die Plattform 34 und auch die dargestellte Plattform des Kopfbereiches 37 dienen zur Begrenzung des Heißgaskanals 12. Das Schaufelblatt 35 hat eine Blatthöhe h. Weiterhin hat das Schaufelblatt 35 eine Schaufelbreite b. Das Schaufelblatt 35 erstreckt sich von einer Schaufelvorderkante 39 zu einer Schaufelhinterkante 41. Zwischen Schaufelvorderkante 39 und Schaufelhinterkante 41 liegt einerseits die Druckseite 45 und andererseits die gegenüberliegende Saugseite 47 des Schaufelblattes 35. Die Gasturbinenleitschaufel 31 weist einen Grundkörper 32 auf, der hohl ausgeführt ist, wobei eine Schaufelaußenwand 63 den Hohlraum umschließt. Stabilisierende Seitenrippen 65 sind im Hohlraum zwischen der Saugseite 47 und der Druckseite 45 angeordnet.

[0024] Im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt 35 und Plattform 34 ist im Bereich der Schaufelvorderkante 39 eine Verrundung 71 und im Bereich der Schaufelhinterkante 41 eine Verrundung 73 ausgebildet. Diese Verrundungen 71, 73 oder auch Verdickungen oder Kerben genannt, sind besonders hohen mechanischen Spannungen im Betrieb ausgesetzt. Zur Entlastung von thermischen Spannungen, die durch die hohen Temperaturen auftreten, der die Gasturbinenleitschaufel 31 ausgesetzt ist, sind in der Schaufelhinterkante Entlastungsschlitze 51 vorgesehen. Diese werden näher anhand von Figur 3 beschrieben.

[0025] Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch die Gasturbinenleitschaufel 31 im Bereich der Verrundung 73 zwischen Schaufelhinterkante 41 und Plattform 34. Die Entlastungsschlitze 51 erstrecken sich quer zur Schaufelhinterkante 41 durch die Schaufelhinterkante 41 hindurch. Dabei kann die Schaufelhinterkante 41 z.B. allein durch die Saugseite 47 gebildet sein, während die Druckseite 45 stufenartig endet und Kühlluftöffnungen in dieser Stufe vorgesehen sind, die die Schaufelhinterkante 41 kühlen. Dies wäre eine offene Schaufelhinterkante 41. Es kann aber auch eine geschlossene Schaufelhinterkante 41 vorliegen, bei der die Druckseite 45 gerundet in die Saugseite 47 übergeht und dabei die Schaufelhinterkante 41 bildet. Hierbei können die Entlastungsschlitze 51 in der Saugseite 47, der Druckseite 45 oder in beiden Seiten sich erstrecken. Die Entlastungsschlitze 51 enden mit ihren der Schaufelhinterkante 41 gegenüberliegenden Enden in kreisförmigen Erweiterungen 53, in denen vergleichsweise wenig Spannungen durch eine relativ niedrige Krümmung hervorgerufen werden. Der der Verrundung nächstliegender Entlastungsschlitz 51 weist eine geringere Menge als der in Schaufelachsenrichtung nächstfolgende zweite Entlastungsschlitz auf. Der zweite Entlastungsschlitz ist wiederum kürzer als der in Richtung der Schaufelachse auf ihn folgende und der Verrundung 73 entfernteste dritte Entlastungsschlitz 51.

[0026] Durch die Entlastungsschlitze 51 werden thermische Spannungen verringert, indem in den Entlastungsschlitzen 51 eine thermische Ausdehnung kompensierbar ist. Hierdurch werden thermische Spannungen sowohl im Bereich der Hinterkante 4 als auch in der Verrundung 73 minimiert.

[0027] In die Gasturbinenlaufschaufel 34 wird Kühlluft 67 zur Kühlung eingeleitet. Diese Kühlluft 67 tritt aus dem Schlitz 51 aus dem hohlen Inneren der Gasturbinenlaufschaufel 34 aus. Dabei ist der Schlitz 51 so geformt, dass die Kühlluft 67 einen Kühlfilm auf der Oberfläche des Schaufelblattes 35 bildet.

Ansprüche

1. Entlang einer Schaufelachse (30) gerichtete und aus einem Grundkörper (32) gebildete Turbinenschaufel (31), umfassend einen Fußbereich (33), einen Kopfbereich (37) und ein Schaufelblatt (35) mit einer vom Fußbereich (33) zum Kopfbereich (37) reichenden Blatthöhe h und mit einer von einer Schaufelvorderkante (39) bis zu einer Schaufelhinterkante (41) reichenden Blattbreite b, wobei im Übergangsbereich zwischen der Schaufelhinterkante (41) und dem Fußbereich (33) eine Verrundung (73) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
quer durch die Schaufelhinterkante (41) hindurch ein Entlastungsschlitz (51) gebildet ist.

2. Turbinenschaufel (31) nach Anspruch 1,
bei der der Entlastungsschlitz (51) in der Nähe der Verrundung (73) liegt.

3. Turbinenschaufel (31) nach Anspruch 2,
bei der der Entlastungsschlitz (51) weniger als 20 % von der Blatthöhe h von der Verrundung (73) entfernt ist.

4. Turbinenschaufel (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der Schlitz (51) eine Länge von mindestens 2% der Blattbreite b hat.

5. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schlitz (51) eine Länge von höchstens 5% der Blattbreite b hat.

6. Turbinenschaufel (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der mindestens zwei Entlastungsschlitze (51) vorhanden sind.

7. Turbinenschaufel (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der mindestens drei Entlastungsschlitze (51) vorhanden sind.

8. Turbinenschaufel (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ausgebildet als Gasturbinenschaufel.

9. Turbinenschaufel (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der Entlastungsschlitz (51) auf seinem der Schaufelhinterkante (41) gegenüberliegenden Ende eine etwa kreisförmige Erweiterung (53) aufweist.

10. Turbinenschaufel (31) nach Anspruch 7,
bei der ein erster, der Verrundung (73) nächstliegender Schlitz (51) eine erste Länge, ein zweiter , entlang der Schaufelachse (30) dem ersten Schlitz (51) folgender zweiter Schlitz (51) eine zweite Länge und ein dritter, dem zweiten Schlitz entlang der Schaufelachse (30) folgender dritter Schlitz (51) eine dritte Länge aufweist, wobei die dritte Länge größer als die zweite Länge und die zweite Länge größer als die erste Länge ist.

Zeichnung