Schaufel für eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Schaufel (10) für eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, mit einem Schaufelblatt (12), das eine Strömungseintrittskante (20) und eine Strömungsaustrittskante (18) aufweist und aus einem gerichtet erstarrten metallischen Material mit einer vorgegebenen Erstarrungsrichtung gebildet ist. Die Erstarrungsrichtung ist im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Schaufelblatts (12) gerichtet. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Gießen der Schaufel (10).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Turbine, insbesondere eine Leitschaufel einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, mit einem Schaufelblatt, das eine Strömungseintrittskante und eine Strömungsaustrittskante aufweist und aus einem gerichtet erstarrten metallischen Material mit einer vorgegebenen Erstarrungsrichtung gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Gießen der Schaufel.

[0002] Die Rotorschaufeln von Turbinen, wie Triebswerkturbinen von Flugzeugen oder Gasturbinen zur Energiegewinnung in Kraftwerken, sind unter anderem hohen Temperaturen und starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies gilt auch für die Leitschaufeln derartiger Turbinen, die, bedingt durch die heißen strömenden Gase, mit denen sie in Berührung kommen, unter anderem hohen thermischen Belastungen ausgesetzt werden. Die für die Herstellung von Schaufeln und Leitschaufeln verwendeten Materialien müssen demnach unter anderem eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Kriechen und der thermischen Ermüdung aufweisen, um akzeptable bzw. wirtschaftliche Dauerfestigkeiten und Betriebszeiten zu realisieren.

[0003] Bedingt durch das stetige Bestreben, die Wirkungsgrade von Gas- und Dampfturbinen zu steigern, sind große Anforderungen an die jeweils verwendeten Werkstoffe zu stellen, die sich nur durch Entwicklung neuer Materialien oder Verbesserung bekannter Materialien realisieren lassen. Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Werkstoffen in Form metallischer Legierungen, die für die Herstellung von Turbinenkomponenten, insbesondere für Leitschaufeln und Rotorschaufeln verwendet werden, bekannt.

[0004] Zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit dieser Werkstoffe gegenüber den auf sie einwirkenden Belastungen, ist es seit längerem bekannt, einzelne Komponenten einer Turbine, die mittels eines Gießverfahrens hergestellt werden, unter Einbeziehung einer vorgegebenen Erstarrungsrichtung zu gießen. So ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 14 26 378 bekannt, Rotorschaufeln und Leitschaufeln von Gasturbinen in einer Gießvorrichtung zu gießen, mit der ein gerichtetes Erstarren des verwendeten Schaufelmaterials möglich ist.

[0005] Die Gießform der Gießvorrichtung befindet sich in der Regel in einer geheizten Kammer, in welcher die Temperatur der Gießform über den Schmelzpunkt der zu gießenden Legierung hinaus erhöht wird. Wenn eine geeignete vorgegebene Temperatur erreicht ist, wird die Legierung, welche deutlich über dem Schmelzpunkt erhitzt wird, durch eine Gießöffnung in die Gießform eingefüllt. Zur Ausbildung eines starken Temperaturgefälles in der Gießform wird beispielsweise einer Kühlplatte, die an einem Ende der Gießform an die Gießform gekoppelt ist, Kühlmittel zugeführt. So lässt sich eine gerichtet erstarrte Leitschaufel herstellen, die entlang der Erstarrungsrichtung eine deutlich höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen aufweist als eine in üblicherweise gegossene Leitschaufel.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufel für eine Gasturbine oder eine Dampfturbine zu schaffen, die hohen Belastungen, insbesondere hohen thermischen Belastungen standhalten kann.

[0007] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit der eingangs genannten Schaufel für eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine oder Dampfturbine gelöst, bei der sich die Erstarrungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Schaufelblatts, insbesondere über die gesamte Strecke zwischen der Strömungseintrittskante und der Strömungsaustrittskante des Schaufelblatts, erstreckt.

[0008] Durch eine so erfindungsgemäß gerichtete Erstarrungsrichtung kann das Schaufelblatt hohen Belastungen, insbesondere hohen thermischen Belastungen in Form von Temperaturgradienten, die senkrecht zur Längsrichtung des Schaufelblatts gerichtet sind, standhalten, die ohne die ausgebildete Erstarrungsrichtung zu einer deutlichen Materialermüdung führen würden, welche eine deutliche Verringerung der Lebensdauer oder gegebenenfalls einen Schaufelbruch zur Folge haben kann.

[0009] Die Erfindung ist insbesondere für Leitschaufeln von Vorteil, die im Betrieb - infolge der Einbausituation in der jeweiligen Turbine - thermischen Gradienten ausgesetzt werden, die senkrecht zur Erstarrungsrichtung ausgerichtet sind.

[0010] Die sich bei der gerichteten Erstarrung in Erstarrungsrichtung bildende langgestreckte, säulenförmige Kornstruktur, weist grobe und damit vergleichsweise große Körner auf, die einen hohen Kriechwiderstand mit sich bringen. Da ferner auch die Korngrenzen parallel zu der gewählten Erstarrungsrichtung verlaufen und keine den Kriechwiderstand verringernde, sich senkrecht zur Erstarrungsrichtung erstreckende Korngrenzen vorliegen, zeichnet sich das Schaufelblatt durch eine hohe Festigkeit in Erstarrungsrichtung mit einem einhergehenden hohen Elastizitätsmodul aus.

[0011] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine äußere und/oder eine innere Plattform vorgesehen. Die an das äußere und innere Ende des Schaufelblatts angrenzenden Plattformen, welche der Befestigung der gesamten Schaufel an einer Gehäusestruktur der Turbine dienen, sind vorzugsweise aus einem feinkörnigen Material gebildet. Feinkörnige Materialien zeichnen sich durch eine erhöhte Kriechneigung bei hohen Temperaturen aus, woraus sich letztlich vergleichsweise hohe Streckgrenzen für das Plattform-Material ergeben. Da insbesondere die Plattformen der erfindungsgemäßen Schaufel im Turbinenbetrieb thermischen Lastwechseln in Form von Temperaturänderungen ausgesetzt werden, ist eine feinkörnige Ausbildung der Leitschaufel-Plattformen im Hinblick auf die Lebensdauer der Plattformen von Vorteil. Eine sich infolge der hohen Temperaturen im Turbinenbetrieb einstellende hohe Streckgrenze des Plattform-Materials stellt vor dem Hintergrund der bekannten Wöhlerkurve sicher, dass das Plattform-Material infolge der thermischen Lastwechsel nicht zu früh ermüdet. Die Einstellung einer erwünschten Korngröße kann durch kornverfeinernde Legierungselemente erzielt werden. Denkbar ist auch eine thermomechanische Behandlung des Plattformmaterials.

[0012] Bei einer alternativen Weiterbildung der Erfindung sind die Schaufel und die Plattformen einstückig aus einem Guss gebildet. So kann insbesondere auch dem Plattform-Material in einer hierfür ausgebildeten Gießvorrichtung eine sich quer zur Längsrichtung des Schaufelblatts erstreckende Erstarrungsrichtung aufgeprägt werden, welche die oben beschrieben Vorteile mit sich bringt.

[0013] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaufel anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Leitschaufel.

[0014] Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Leitschaufel 10 einer Turbine. Die Leitschaufel 10 umfasst ein profiliertes Schaufelblatt 12, ein äußere Plattform 14 und eine innere Plattform 16, bezogen auf die Einbaulage der Leitschaufel 10 in der Turbine.

[0015] Von der äußeren und der inneren Plattform 14, 16 erstrecken sich jeweils zwei Eingreifelemente 22, die für den Eingriff in eine Gehäusestruktur der Turbine (nicht dargestellt) bestimmt sind, um die Leitschaufel 10 an der Gehäusestruktur anzubringen.

[0016] Das profilierte Schaufelblatt 12 weist eine Strömungseintrittskante 20 und eine Strömungsaustrittskante 18 auf. Das Schaufelblatt 12 ist aus einem gerichtet erstarrten, metallischen Material gebildet, wobei sich die Erstarrungsrichtung senkrecht zur Längsachse (z-Richtung) des Schaufelblatts 12 (und damit in X-Richtung) zwischen der Strömungseintrittskante 20 und der Strömungsaustrittskante 18 erstreckt.

[0017] Thermische Gradienten, die infolge einer entsprechenden Anströmung heißer Gase senkrecht zur Längsachse des Schaufelblatts 12 wirken, bewirken eine thermische Belastung des Schaufelblattmaterials, die in Richtung der Erstarrungsrichtung orientiert ist. Da das Schaufelblatt 12 entlang der Erstarrungsrichtung eine deutlich höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen aufweist als ein in üblicherweise - also ohne eine vorgegebene Erstarrungsrichtung - gegossenes Schaufelblatt, kann das Schaufelblatt 12 sehr hohen thermischen Gradienten ausgesetzt werden, ohne dass es zu einer Materialermüdung oder gar zum Materialbruch kommt.

[0018] Die äußere und die innere Plattform 14, 16 sind aus einem feinkörnigen metallischen Material gebildet, das infolge seiner Feinkörnigkeit bei hohen Temperaturen eine hohe Streckgrenze aufweist. Feinkörnige Materialien zeichnen sich durch eine erhöhte Kriechneigung bei hohen Temperaturen aus, woraus sich letztlich vergleichsweise hohe Streckgrenzen für das Plattform-Material ergeben, mit einer einhergehenden hohen Dauerfestigkeit gegenüber thermischen Lastwechseln.

Ansprüche

1. Schaufel (10) für eine Turbine,
insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, mit einem Schaufelblatt (12), das eine Strömungseintrittskante (20) und eine Strömungsaustrittskante (18) aufweist und aus einem gerichtet erstarrten metallischen Material mit einer vorgegebenen Erstarrungsrichtung gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erstarrungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Schaufelblatts (12) gerichtet ist.

2. Schaufel (10) nach Anspruch 1,
mit einer äußeren und einer inneren Plattform (14, 16), die sich jeweils an ein äußeres bzw. inneres Ende des Schaufelblatts (12) anschließen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die äußere und/oder die innere Plattform (14, 16) aus einem feinkörnigen Material gebildet sind.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaufelblatt (12) und die Plattformen (14, 16) einstückig aus einem Guss gebildet sind.

4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich das gerichtet erstarrte Material über die gesamte Strecke zwischen der Strömungseintrittskante (20) und der Strömungsaustrittskante (18) des Schaufelblatts (12) erstreckt.

5. Vorrichtung zum Gießen einer Schaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

Zeichnung