[0001] Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenschaufel mit einem Befestigungsbereich,
an dem sich entlang einer Schaufelachse ein Plattformbereich und daran ein Profilbereich
mit einer Saugseitenwand und einer Druckseitenwand anschließt, die sich von einer
Vorderkante zu einer Hinterkante erstrecken und mit ihren Innenseiten zumindest einen
Hohlraum mit einer zur Schaufelachse parallel verlaufenden Raumhöhe umgreifen, in
welchen Hohlraum ein Kühlmittel einströmbar und durch zumindest eine an der Hinterkante
vorgesehene Austrittsöffnung aus der Turbinenschaufel ausströmbar ist sowie mit einem
im Bereich der Hinterkante im Hohlraum angeordneten, stabförmigen Einsatz zum Einstellen
des Durchflusses des ausströmbaren Kühlmittels.
[0002] Aus der US 4,526,512 ist eine gattungsgemäße Turbinenschaufel bekannt, bei der ein
stabförmiger Einsatz als Durchflusseinstellkörper für Kühlluft im hinteren Bereich
der Turbinenschaufel, d. h. vor der Hinterkante, vorgesehen ist. Um die Kühlwirkung
des die hohle Turbinenschaufel durchströmenden Kühlmediums im Bereich der Hinterkante
zu erhöhen, wirkt der den Strömungsquerschnitt verjüngende Durchflusseinstellkörper
beschleunigend auf das Kühlmittel. Hierdurch lässt sich die konvektive Kühlwirkung
im Bereich der Schaufelhinterkante auf einen von der Geometrie des Durchflusseinstellkörpers
abhängigen Wert erhöhen. Dazu weist der stabförmige Durchflusseinstellkörper mehrere
ringförmige Nuten auf, welche zwischen ringförmigen Rippen gebildet sind. Die Rippen
dienen als Anlageflächen des stabförmigen Körpers an den Innenseiten der Schaufelwände
und zur Verengung des Strömungsweges, wodurch das so beschleunigte Kühlmittel durch
die Nuten strömen kann.
[0003] Nachteilig ist hierbei, dass bei einer gegossenen Schaufel und bei einem fest vorgegebenen
Durchflusseinstellkörper der Kühlluftverbrauch nicht eingestellt werden kann. Lediglich
über die Geometrie des Durchflusseinstellkörpers kann der Kühlluftdurchfluss eingestellt
werden.
[0004] Ferner ist bekannt, dass bei der Herstellung von Turbinenschaufeln Fertigungstoleranzen
auftreten. Für gegossene Schaufeln können diese Toleranzen eine Schwankung des Verbrauchs
von Kühlluft in einem Bereich von ±5-8% des Nominaldurchflusswertes hervorrufen, d.h.
jede Turbinenschaufel kann einen individuellen Verbrauch von Kühlluft aufweisen.
[0005] Um den ggf. zu hoch ausfallenden Kühlluftdurchfluss oder -verbrauch zu verringern,
kann derzeit nur in wenigen Fällen bei ganz bestimmten Ausführungsformen von Turbinenschaufeln
eine fertigungsbedingte Drosselung helfen. Dabei werden Drosselbleche auf den Eingang
einer Kühlluftpassage am Laufschaufelfuß durch Schweißen aufgebracht. Auch ist es
bekannt, anstelle des Drosselbleches einen Stopfen - auch Restriktor genannt - in
den Kanal der Turbinenschaufel einzubringen, der den Strömungsquerschnitt und damit
den Durchfluss durch den Kanal reduziert. Bei beiden Ansätzen wird jedoch die durch
von Toleranzen hervorgerufene Streubandbreite des Kühlluftdurchflusses der so gedrosselten
Turbinenschaufeln nicht wesentlich im Vergleich zur ungedrosselten Turbinenschaufel
verringert.
[0006] Eine fertigungsbedingte Unterschreitung des Kühlluftdurchflusses durch eine beispielsweise
fehlerhafte Ausführung des Gusses kann in der Regel nicht korrigiert bzw. erhöht werden,
so dass die zumeist kostenintensiven Bauteile nicht nutzbar sind.
[0007] Darüber hinaus treten durch Fertigungsfehler, welche innerhalb der Fertigungstoleranzen
liegen, häufig auch Überschreitungen des maximal zulässig definierten Durchflusses
auf. Durch diese Fertigungsfehler kommt es zu einer deutlichen Überschreitung des
auslegungstechnisch erforderlichen Mindestkühlluftdurchflusses, was erhebliche Wirkungsgrad-
und Leistungsverluste der Gasturbine im Vergleich zur optimalen oder nominalen Ausführung
der Turbinenschaufel zur Folge hat.
[0008] Es wurde somit bisher lediglich der Mittelwert des Durchflusses von Turbinenschaufeln
reduziert. Um jedoch an jeder Turbinenschaufel einen optimalen Wert zu erhalten, muss
eine individuelle Einstellung jeder Turbinenschaufel erfolgen.
[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel der eingangs genannten
Art so zu gestalten, dass eine individuelle Anpassung des Kühlluftdurchflusses unabhängig
von den durch die Herstellung auftretenden Toleranzen und Fehler eingestellt werden
kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Turbinenschaufel sowie eine Gasturbine mit einem erhöhten Wirkungsgrad anzugeben.
[0010] Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs
1, die auf die Gasturbine gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 8 und
die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
[0011] Die Lösung der beschriebenen Aufgaben wird erreicht, indem der Kühlluftdurchfluss
der mit zumindest einer Austrittsöffnung versehenen Turbinenschaufel stufenlos auf
den nominellen oder mindest erforderlichen Wert gedrosselt werden kann, obwohl die
Ausführung des Gusses und/oder die Austrittsöffnungen in einem deutlich größeren Toleranzband
erfolgt. Um dies zu erreichen, schlägt die Lösung vor, dass der stabförmige Einsatz
über die Raumhöhe an der Innenseite der einen der beiden Seitenwände anliegt, in diesem
Abschnitt im Querschnitt unrund, vorzugsweise kreissegmentförmig, ausgebildet ist
und zum Einstellen des Durchflusses mit der Innenseite der anderen der beiden Seitenwände
einen einstellbaren Strömungsquerschnitt bildet.
[0012] Die Festlegung des Durchflusses erfolgt ausschließlich durch die noch zu beschreibende
Einstelltechnik, so dass zu geringer Durchfluss durch Gussfehler und Fertigungstoleranzen
vermieden werden kann, indem der den Durchfluss bestimmende Strömungsquerschnitt zuerst
größer als erforderlich beim Guss hergestellt wird, welcher dann durch die Montage
des Einsatzes und dessen Positionierung auf den gewünschten Wert einstellbar ist.
[0013] Auf diese Weise werden die beim Stand der Technik auftretenden Nachteile vermieden.
[0014] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0015] Durch die Drehung des Einsatzes kann sein vorhandener, kürzester, senkrecht zur Schaufelachse
stehender Abstand zwischen dem kreissegmentförmigen Querschnitt des Einsatzes und
der Innenseite der anderen der beiden Seitenwände einfach verändert werden, wodurch
in Verbindung mit der feststehenden Raumhöhe der Strömungsquerschnitt für die an der
Hinterkante ausströmende Kühlluft einfach einstellbar ist.
[0016] Zweckmäßigerweise ist der kreissegmentförmige Querschnitt des Einsatzes annähernd
halbkreisförmig ausgebildet. Dabei liegt der um seine Längsachse vorerst verdrehbare
Einsatz über die Raumhöhe an der Innenseite der einen der beiden Schaufelwände an.
[0017] Um den Durchfluss an der Hinterkante der Turbinenschaufel besonders einfach einzustellen,
ist ein im Befestigungsbereich oder im Plattformbereich der Turbinenschaufel liegender
Abschnitt oder erstes Ende des Einsatzes im Querschnitt zylindrisch ausgebildet, welcher
in einer in der Schaufel angeordneten, korrespondierenden Ausnehmung oder Öffnung
drehbar ist. Durch die Drehung des Einsatzes in der Ausnehmung kann der kürzeste Abstand
zwischen dem kreissegmentförmigen Querschnitt des Einsatzes und der Innenseite der
anderen der beiden Seitenwände stufenlos verändert werden, wodurch in Verbindung mit
der feststehenden Raumhöhe der Strömungsquerschnitt für die an der Hinterkante ausströmende
Kühlluft ebenso stufenlos einstellbar ist.
[0018] Gleichzeitig wird der Einsatz in der Ausnehmung gelagert, so dass er eine definierte
Lage innerhalb der Turbinenschaufel und gegenüber der Innenseite der anderen der beiden
Seitenwände aufweist.
[0019] Das dem zylindrischen Abschnitt oder dem ersten Ende des Einsatzes gegenüberliegende
freie, zweite Ende wird in einer Profilspitze, welche im Profilbereich dem Plattformbereich
gegenüber liegt, in einer im Inneren liegenden Halteöffnungen gelagert. Somit ist
auch das zweite Ende des Einsatzes in seiner radialen Lage fixiert, so dass beide
Enden des Einsatzes stets in einer definierten Lage innerhalb der Turbinenschaufel
geführt sind. Dies gewährleistet eine sichere und dichte Anlage des Einsatzes an der
Innenseite der einen der beiden Schaufelwände.
[0020] Um den beim Betrieb der Gasturbine auftretenden ggf. unterschiedlichen Dehnungen
des Einsatzes und der Turbinenschaufel Rechnung zu tragen, ist in einer Profilspitze
eine Halteöffnung vorgesehen, zwischen deren Grund und dem freien Ende des Einsatzes
ein radialer Dehnungsspalt vorgesehen ist, in der sich der Einsatz aufgrund der temperaturbehafteten
Dehnungen entlang seiner Längsachse hineinerstrecken kann.
[0021] Jede gegossene Turbinenschaufel weist aufgrund des Herstellungsverfahrens hervorgerufene
Toleranzen auf, die zu unterschiedlichen Durchflüssen von Kühlmittel beim Betrieb
der Turbinenschaufel in einer Gasturbine führen würden. Durch den Einsatz kann der
Durchfluss der durch die Hinterkante ausströmenden Kühlluft auf die geforderte bzw.
auf die optimale Größe eingestellt werden, so dass im Betrieb der Gasturbine Kühlmittel
eingespart werden kann, welches dann der Verbrennung wirkungsgradsteigernd zur Verfügung
steht.
[0022] Hierzu schlägt das Verfahren zum Einstellen des Durchflusses einer Turbinenschaufel
und zum Herstellen einer solchen vor, dass nach dem Guss der Turbinenschaufel der
Einsatz im Bereich der Hinterkante des Profilbereiches montiert wird. Anschließend
wird die Turbinenschaufel an eine Kühlluftspeise- und Messeinrichtung angeschlossen.
Dabei wird in die Turbinenschaufel Kühlluft eingeblasen und zumindest der an der Hinterkante
austretende Anteil von Kühlluft gemessen. Weicht die gemessene Durchflussmenge von
Kühlluft von der optimalen bzw. vorbestimmten Kühlluftmenge ab, so kann durch Verdrehen
des Einsatzes der Durchfluss von Kühlluft an der Hinterkante auf das Optimum oder
auf den geforderten Wert stufenlos eingestellt werden, indem der kürzeste Abstand
zwischen dem unrunden, vorzugsweise kreissegmentförmigen Abschnitt des Einsatzes und
der Innenseite der anderen der beiden Seitenwände verändert wird. Nach dem Einstellen
des gewünschten Durchflusses wird der Einsatz fest mit der Turbinenschaufel verbunden,
beispielsweise durch Schweißen, Löten, Anstemmen oder ein anderes geeignetes Befestigungsverfahren,
so dass der Durchfluss von Kühlluft an der Hinterkante der Turbinenschaufel während
des Betriebes der Gasturbine sich nicht ungewollt verändern kann.
[0023] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
- Fig. 1
- eine Turbinenschaufel mit einem Einsatz in einem Längs-Querschnitt und
- Fig. 2
- die Hinterkante der Turbinenschaufel mit dem sektorförmigen Querschnitt des Einsatzes
im Querschnitt.
[0024] Gasturbinen und deren Arbeitsweisen sind allgemein bekannt. Ein Verdichter der Gasturbine
saugt Umgebungsluft an und verdichtet diese. Anschließend wird die Luft zu mehreren
Brennern geführt, in denen ein Brennmittel zugemischt wird, welches Gemisch in einer
Brennkammer unter hohem Druck und unter hoher Temperatur zu einem Heißgas verbrannt
wird. Das Heißgas durchströmt eine nachgeschaltete Turbineneinheit und treibt dabei
den Rotor der Gasturbine und beispielsweise einen Generators an.
[0025] In der Turbineneinheit sind dabei Turbinenschaufeln 11 als Leitschaufeln am Gehäuse
der Gasturbine und als Laufschaufeln am Rotor der Gasturbine, jeweils in Kränzen,
befestigt. Die in Fig. 1 gezeigte Turbinenschaufel 11 weist einen Befestigungsbereich
13 auf, an dem sich ein Plattformbereich 15 anschließt. Entlang einer Schaufelachse
17 folgt dem Plattformbereich 15 ein Profilbereich 19, welcher beim Betrieb einer
Gasturbine von dem Heißgas umströmt wird.
[0026] Der Profilbereich 19 erstreckt sich von einer Vorderkante 21 zu einer Hinterkante
23, bezogen auf die Strömungsrichtung des Heißgases. Sowohl eine konvex gekrümmte
Saugseitenwand 25 als auch eine dazu gegenüberliegende gekrümmte Druckseitenwand 27
(Fig. 2) verläuft von der Vorderkante 21 zur Hinterkante 23. Beide Seitenwände 25,
27 umschließen dabei zumindest einen Hohlraum 29, welcher eine zur Schaufelachse 17
parallel verlaufende Raumhöhe 31 aufweist. Vom Befestigungsbereich 13 her durch den
Plattformbereich 15, ggf. über Zwischenhohlräume, ist ein Kühlmittel 33, insbesondere
Kühlluft, in den Hohlraum 29 einströmbar und zumindest an der Hinterkante 23 durch
zumindest eine Austrittsöffnung 35 aus der Turbinenschaufel 11 ausströmbar.
[0027] Bei der Herstellung der Turbinenschaufel 11 wird nach dem Giessen von Außen durch
eine zylindrische Öffnung im Bereich der Hinterkante 23 ein stabförmiger Einsatz 37
zum Einstellen des Durchflusses des an der Hinterkante 23 ausströmbaren Anteils des
Kühlmittels 33 in den Hohlraum 29 eingesetzt. An einem ersten Ende 39 des Einsatzes
37 ist dieser im Querschnitt rund ausgebildet. Dieser zylindrische Abschnitt 41 des
Einsatzes 37 ist in einer dazu korrespondierenden Ausnehmung 43, welche im Befestigungsbereich
13 oder im Plattformbereich 15 angeordnet ist, gelagert. Der zylindrische Abschnitt
41 kann auch als Kragen ausgeführt sein. Der Einsatz 37 erstreckt sich im Wesentlichen
parallel zur Schaufelachse 17, annähernd über die gesamte Höhe der Turbinenschaufel
11.
[0028] Entlang der Schaufelachse 17 schließt an das Ende 39 des Einsatzes 37 ein im Querschnitt
unrunder, vorzugsweise kreissegmentförmiger Abschnitt 45 an, welcher sich im Wesentlichen
über die Raumhöhe 31 des Hohlraumes 29 erstreckt. Das dem ersten Ende 39 gegenüberliegende
zweite Ende 47 des Einsatzes 37, welches ebenfalls zylindrisch ist, erstreckt sich
in eine dazu korrespondierende Halteöffnung 49, welche in einer Schaufelspitze 51
vorgesehen ist. Somit sind beide Enden 39, 47 drehbar gelagert, was zu einer sicheren
und dichten Anlage des Einsatzes 37 an der Innenseite 59 der einen der beiden Seitenwände
27 führt.
[0029] Zwischen dem runden, zweiten Ende 47 und dem Grund der Halteöffnung 49 ist ein Dehnungsspalt
52 gebildet, in den sich das zweite Ende 47 des Einsatzes 37 aufgrund von thermisch
bedingtem Längenwachstum hineinerstrecken kann.
[0030] Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch die Hinterkante 33 der Turbinenschaufel 11 im
Abriss. Im Bereich der Hinterkante 23 ist zwischen der Saugseitenwand 25 und der dazu
spitzwinklig angeordneten Druckseitenwand 27 der im mittleren Abschnitt 45 im Querschnitt
kreissegmentförmige Einsatz 37 dargestellt. Als Kreissegmentform wird zumindest ein
Kreisbogen verstanden, dessen Endpunkte über eine Sehne miteinander verbunden sind.
Alternative Formen, beispielsweise eine Sektorform oder eine Kombination aus beiden
Formen ist ebenso für die Erfindung einsetzbar wie eine gekrümmte Sehne. Ein drei-
oder mehreckiger Querschnitt wäre ebenso zielführend.
[0031] Durch das im Querschnitt runde, erste Ende 39, dessen Projektion als gestrichelte
Linie dargestellt ist, kann der kreissegmentförmige Abschnitt 45 des Einsatzes 37
um seine Drehachse 53 gedreht werden. Währenddessen liegt der kreissegmentförmige
Abschnitt 45 an einer Innenseite 59 der Druckseitenwand 27, vorzugsweise in einer
eigens dafür vorgesehenen, kreisbogenförmig verlaufenden Ausnehmung an. Ein kürzester
Abstand 55 zwischen dem kreissegmentförmigen Abschnitt 45 und einer Innenseite 57
der Saugseitenwand 25 kann durch Drehung des Einsatzes 37 um den Verdrehwinkel w verändert
werden, wodurch der Strömungsquerschnitt für das Kühlmedium 33 veränderbar ist. Der
Strömungsquerschnitt wird durch den kürzesten Abstand und die Raumhöhe 31 definiert,
welcher Strömungsquerschnitt von dem Kühlmittel 33 senkrecht durchströmt werden kann.
Eine Verdrehung des Einsatzes 37 im Uhrzeigersinn führt zu einer Strömungsquerschnittvergrößerung
und eine Verdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn zu einer Verkleinerung des Strömungsquerschnitts.
[0032] Natürlich ist auch denkbar, dass der Einsatz 37 an der Saugseitenwand 25 anliegt
und mit der Innenseite der Druckseitenwand 27 einen veränderbaren Strömungsquerschnitt
bildet.
[0033] Damit der Einsatz 37 einfach um seine Längsachse verdreht werden kann, weist dieser
an der Stirnseite des ersten Endes 39 hierfür geeignete (nicht gezeigte) Mittel, beispielsweise
einen Innensechskant, einen Flachschlitz oder einen Kreuzschlitz für ein jeweils dazu
korrespondierendes Verdrehwerkzeug auf.
[0034] Zur individuellen Einstellung des Kühlluftverbrauchs einer gegossenen und den Einsatz
37 aufweisenden Turbinenschaufel 11 wird diese in eine Kühlluftspeise und -Messeinrichtung
angeschlossen und anschließend mit Kühlmittel 33, beispielsweise Kühlluft, durchblasen.
Die an der Hinterkante 23 ausströmende Kühlluftmenge wird gemessen und durch Verdrehen
des Einsatzes 37 auf den gewünschten oder optimalen Durchflusswert eingestellt. Anschließend
wird der Einsatz 37 fest mit der Turbinenschaufel 11 verbunden, so dass eine ungewollte
Verdrehung des Einsatzes 37 während des Betriebs einer mit solch einer Turbinenschaufel
11 ausgestatteten Gasturbine vermieden wird. Zudem wird dadurch auch die radiale Lage
des Einsatzes 37 fixiert. Dadurch werden herstellungsbedingte Einflüsse auf dem Durchflusswert
von Kühlluft an der Hinterkante einer Turbinenschaufel eliminiert.
[0035] Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel 11 kann sowohl als Leitschaufel als auch als
Laufschaufel für eine Turbine, vorzugsweise für eine Gasturbine oder Dampfturbine,
ausgestaltet sein.
1. Gekühlte Turbinenschaufel (11)
mit einem Befestigungsbereich (13), an dem sich entlang einer Schaufelachse (17) ein
Plattformbereich (15) und daran ein Profilbereich (19) mit einer Saugseitenwand (25)
und einer Druckseitenwand (27) anschließt, die sich von einer Vorderkante (21) zu
einer Hinterkante (23) erstrecken und mit ihren Innenseiten (57, 59) zumindest einen
Hohlraum (29) mit einer zur Schaufelachse (17) parallel verlaufenden Raumhöhe (31)
umgreifen, in welchen Hohlraum (29) ein Kühlmittel (33) einströmbar und durch zumindest
eine an der Hinterkante (23) vorgesehene Austrittsöffnung (35) aus der Turbinenschaufel
(11) ausströmbar ist
sowie mit einem im Bereich der Hinterkante (23) im Hohlraum (29) angeordneten stabförmigen
Einsatz (37) zum Einstellen des Durchflusses des ausströmbaren Kühlmittels (33),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einsatz (37) über die Raumhöhe (31) an der Innenseite (59) einer der beiden Seitenwände
(27) anliegt, in diesem Abschnitt (45) im Querschnitt unrund, vorzugsweise kreissegmentförmig,
ausgebildet ist und zum Einstellen des Durchflusses mit der Innenseite (57) der anderen
der beiden Seitenwände (25) einen einstellbaren Strömungsquerschnitt bildet.
2. Turbinenschaufel (11) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein kürzester Abstand (55) zwischen dem Abschnitt (45) des Einsatzes (37) und der
gegenüberliegenden Innenseite (57) der anderen der beiden Seitenwände (25) durch die
Verdrehung des Einsatzes (37) veränderbar ist.
3. Turbinenschaufel (11) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der kreissegmentförmige Querschnitt des Abschnittes (45) des Einsatzes (37) annähernd
halbkreisförmig ausbildet ist.
4. Turbinenschaufel (11) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein im Befestigungsbereich (13) oder im Plattformbereich (15) liegender Abschnitt
(41) des Einsatzes (37) zylindrisch ausgebildet ist, welcher in einer korrespondierenden
Ausnehmung (43) drehbar ist.
5. Turbinenschaufel (11) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Profilbereich (19) eine dem Plattformbereich (15) gegenüberliegende Profilspitze
(51) mit einer im inneren liegenden Halteöffnung (49) aufweist, zwischen deren Grund
und dem freien Ende (47) des Einsatzes (37) ein radialer Dehnungsspalt (52) vorgesehen.
6. Turbinenschaufel (11) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einsatz (37) mit der Turbinenschaufel (11) fest verbunden ist.
7. Turbinenschaufel (11) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbinenschaufel (11) gegossen ist.
8. Gasturbine mit einer Turbinenschaufel (11) nach einem der vorgehenden Ansprüche.
9. Verfahren zum Herstellen einer gegossenen Turbinenschaufel (11) mit einem nach dem
Giessen der Turbinenschaufel montierten, verstellbaren Einsatz (37) im Bereich einer
Hinterkante (23) eines Profilbereichs (19) zum Einstellen des Durchflusses eines Kühlmittels
(33) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchfluss von Kühlmittel (33) durch Verdrehen des verstellbaren Einsatzes (37)
eingestellt und anschließend der Einsatz (37) mit der Turbinenschaufel (11) fest verbunden
wird.