Hohle Turbinenschaufel

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine hohle Turbinenschaufel (30), mit einem von einer saugseitigen Profilwand (42) und einer druckseitigen Profilwand (44) gebildeten und von einem Heißgas (11) umströmbaren Tragflächenprofil (36), welches von einer Plattform (32) bis zu einer Profilspitze (58) eine entlang einer Schaufelachse gerichtete Profilhöhe (H) aufweist, mit mindestens einer im Inneren der Turbinenschaufel (30) vorgesehenen Stützrippe (48), die die druckseitige Profilwand (44) mit der saugseitigen Profilwand (42) in jeweils einem Verbindungsbereich (50) verbindet, und mit mindestens einem in der Profilwand (42, 44) heißgasseitig vorgesehenen sich entlang der Schaufelachse erstreckenden Schlitz (56). Um eine Turbinenschaufel (30) mit einer besonders langen Lebensdauer anzugeben, wird vorgeschlagen, dass der Schlitz (56,62) heißgasseitig in der Profilwand (42, 44) dem von der Stützrippe (48) und der Profilwand (42,44) gebildeten Verbindungsbereich (50) gegenüberliegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine hohle Turbinenschaufel, mit einem von einer saugseitigen Profilwand und einer druckseitigen Profilwand gebildeten und von einem Heißgas umströmbaren Tragflächenprofil, welches von einer Plattform bis zu einer Profilspitze eine entlang einer Schaufelachse gerichtete Profilhöhe aufweist, mit mindestens einer im Inneren der Turbinenschaufel vorgesehenen Stützrippe, die die druckseitige Profilwand mit der saugseitigen Profilwand in jeweils einem Verbindungsbereich verbindet sowie mit mindestens einem in der Profilwand heißgasseitig vorgesehenen sich entlang der Schaufelachse erstreckenden Schlitz. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel.

[0002] Aus der EP 1 508 399 A1 ist eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine bekannt, die zur Verhinderung von unzulässig großen Rissen deren Wachstum durch einen im Bereich der Schaufelvorderkante verlaufenden Schlitz räumlich begrenzt. An der Schaufelvorderkante entstandene Risse können somit in axialer Richtung nur maximal bis zum Schlitz anwachsen. Dies führt zu einer verlängerten Lebensdauer der Turbinenschaufel.

[0003] Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Rissentstehung - in Strömungsrichtung gesehen - auch hinter dem Schlitz, im mittleren Bereich des Schaufelprofils, auftreten kann. Die dort entstehenden Risse können sich anschließend in Richtung der Hinterkante ausbreiten. Weist ein derartiger Riss eine Länge auf, die größer ist als eine maximal zulässige kritische Risslänge, so ist ein sicherer Betrieb einer damit ausgestatteten Gasturbine nicht mehr gewährleistet, so dass diese Turbinenschaufel ausgetauscht werden muss.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel mit verlängerter Lebensdauer.

[0005] Die Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Turbinenschaufel gelöst, bei der der Schlitz heißgasseitig in der Profilwand dem von der Stützrippe und der Profilwand gebildeten Verbindungsbereich gegenüberliegt.

[0006] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Material des Tragflächenprofils sich aufgrund des außen entlang strömenden Heißgases erwärmt. Die zwischen der druckseitigen Profilwand und der saugseitigen Profilwand im Inneren verlaufende Stützrippe ist dagegen kälter als das aufgeheizte Material der Profilwände. Da jedoch die Stützrippe in die druckseitige bzw. saugseitige Profilwand integral übergeht, wird lokal Wärmeenergie über den innen liegenden Verbindungsbereich aus der jeweiligen Profilwand in die Stützrippe geleitet und abgeführt, so dass im Mündungsbereich der Stützrippe in die Profilwand eine verringerte Materialtemperatur entlang des sich über die Profilhöhe erstreckenden Verbindungsbereichs auftritt. In Querrichtung zur Schaufelachse ist die Profilwand dagegen in weiten Bereichen heißer. Folglich treten thermisch bedingte Spannungen im Material auf, die Risserzeugung hervorrufen und Risswachstum begünstigen können.

[0007] Um diese thermisch bedingten und den Verschleiß hervorrufenden Spannungen im Material der Profilwand zu reduzieren, schlägt die Erfindung vor, dass der Schlitz heißgasseitig in der Profilwand dem von der Stützrippe und der Profilwand gebildeten Verbindungsbereich gegenüberliegt. Der Schlitz entlastet das Material, indem dieser lokal größere thermisch bedingte Dehnungen der Profilwand ermöglicht. Infolgedessen führt der Entlastungsschlitz zu einer lebensdauerverlängernden Verminderung der thermisch bedingten Spannungen in der Profilwand. Die weiterhin im Tragflächenprofil auftretenden thermischen Spannungen treten dann in einer Größenordnung auf, die unschädlich für das Material sind. An dieser Stelle kommt es seltener zu Rissen und/oder Risswachstum, wodurch die Lebensdauer der Turbinenschaufel verlängert wird. Außerdem kann der Schlitz darüber hinaus als Rissstopper bzw.

[0008] Rissbegrenzer dienen, wodurch wiederum die Lebensdauer der Turbinenschaufel verlängert werden kann. Eine mit dieser langlebigen Turbinenschaufel ausgestattete Gasturbine weist eine längere Betriebszeit und eine verkürzte Standzeit auf, da die Turbinenschaufeln seltener auf Risse mit kritischen Längen untersucht und ggf. ausgetauscht werden muss. Insofern können mit der Erfindung auch die Wartungskosten von Gasturbinen gesenkt und deren Wirtschaftlichkeit weiter verbessert werden.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.

[0010] Vorzugsweise erstreckt sich der Schlitz entlang der Schaufelachse und weist mindestens eine Länge von 10 %, vorzugsweise von mindestens 20 % der Profilhöhe auf. Insbesondere diese Maßnahme verlängert die Lebensdauer der Gasturbine, da sich die im Inneren der Turbinenschaufel vorgesehenen Stützrippen ebenfalls entlang der Schaufelachse erstrecken und die druckseitige Profilwand mit der saugseitigen Profilwand in jeweils einem Verbindungsbereich verbinden.

[0011] Weil die von den vergleichsweise kühleren Stützrippen verursachten lokalen Temperaturabsenkungen und demgemäß die lokale Erhöhung der thermisch bedingten Spannungen insbesondere in einem abgerundeten Übergangsbereich zwischen der Plattform und dem Tragflächenprofil auftreten, kann sich der Schlitz oder können sich die Schlitze auch in den Übergangsbereich hinein erstrecken. Somit kann vorzugsweise auch der Übergangsbereich vor Rissentstehung geschützt werden. Außerdem wird dadurch im Übergangsbereich Risswachstum verzögert bzw. begrenzt. Zweckmäßigerweise kann sich der in der heißgasumströmten äußeren Oberfläche vorgesehene Schlitz über den Übergangsbereich hinaus auch bis in die Plattform hinein erstrecken.

[0012] Wenn der Schlitz eine Eindringtiefe aufweist, die sich von der heißgasseitigen Oberfläche der Profilwand bis in den Verbindungsbereich und/oder in die Stützrippe hinein erstreckt, kann besonders wirkungsvoll der lokal auftretende Kälteeintrag, d.h. der sich durch die kühlere Stützrippe lokal einstellende Wärmeentzug, gesenkt werden, wodurch das Material der Profilwand, zwischen dem Verbindungsbereich und der diesem gegenüberliegenden äußeren Oberfläche, im Vergleich zum Stand der Technik wärmer ist. Infolge dessen stellt sich entlang der Umströmungsrichtung in der Profilwand eine vergleichmäßigte Temperaturverteilung und somit ein verringerter Temperaturgradient ein. Dadurch werden die thermischen Spannungen reduziert, was zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenschaufel führt.

[0013] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schlitz mit einem Füllmaterial aufgefüllt, um evtl. auftretende aerodynamische Verluste im Heißgas aufgrund von Kanten zu vermeiden. Dabei ist das Füllmaterial weicher als das Material der Profilwand. Die auftretenden thermisch bedingten Dehnungen der Profilwand können in diesem Fall von dem weichen Füllmaterial besonders gut kompensiert werden.

[0014] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:

FIG 1

eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,

FIG 2

eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel und

FIG 3

den Querschnitt gemäß Schnittlinie III der Turbinenschaufel nach FIG 2.

[0015] FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.

[0016] FIG 2 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel 30 in einer perspektivischen Ansicht. Die Turbinenschaufel 30 weist eine Plattform 32 auf, an deren Oberfläche 34 ein von dem Heißgas 11 umströmbares Tragflächenprofil 36 angeordnet ist. Das Tragflächenprofil 36 erstreckt sich von einer Vorderkante 38 zu einer Hinterkante 40. Es weist zudem eine dazwischen verlaufende saugseitige Profilwand 42 sowie eine ebenfalls dazwischen verlaufende druckseitige Profilwand 44 auf.

[0017] In der Turbinenschaufel 30 sind beispielsweise drei Hohlräume 46 vorgesehen, welche durch zwei Stützrippen 48 voneinander getrennt sind. Die Stützrippen 48 verbinden die saugseitige Profilwand 42 mit der druckseitigen Profilwand 44 und dienen zur Erhöhung der Steifigkeit des Tragflächenprofils 36.

[0018] Die Turbinenschaufel 30 wird in der Regel durch ein Gießverfahren hergestellt. In einer Gießvorrichtung sind dazu drei Gusskerne eingesetzt, welche nach der Herstellung der Turbinenschaufel 30 aus dieser entfernt werden. An dieser Stelle bleiben die Hohlräume 46 zurück, zwischen denen die Stützrippen 48 angeordnet sind. Daher gehen bei gegossenen Turbinenschaufel 30 die Stützrippen 48 integral in einem Verbindungsbereich 50 in die saugseitige und/oder druckseitige Profilwand 42, 44 über und sind mit diesen einstückig verbunden, was eine besonders gute wärmetechnische Kopplung der Profilwand 42, 44 mit der Stützrippe bewirkt.

[0019] Bei der Verwendung der Turbinenschaufel 30 in einer Gasturbine 1 wird das von dem Heißgas 11 umströmte Tragflächenprofil 36 vollständig erwärmt. Dabei stellte sich bei der aus dem Stand der Technik bekannten Turbinenschaufel im Material des Tragflächenprofils 36 entlang der Strömungsrichtung des Heißgases 11, also von der Vorderkante 38 zu der Hinterkante 40, bisher ein Temperaturverlauf ein, der im Bereich jeder Stützrippe 48 ein lokales Temperaturminimum aufwies. Diese von der kühleren Stützrippe 48 verursachte ungleichmäßige Erwärmung des Tragflächenprofils 36 rief im oberflächennahen Abschnitt der Profilwände 42, 44 derart große, thermisch bedingte Spannungen hervor, dass dort Risse entstehen konnten und Risswachstum vermehrt auftrat. Dies beschränkte die Lebensdauer der bekannten Turbinenschaufel.

[0020] Um einen gleichmäßigeren Temperaturverlauf von der Vorderkante 38 zu der Hinterkante 40 in den Profilwänden 42, 44 zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß der in einer Profilwand 42, 44 heißgasseitig vorgesehene Schlitz 56 nun in einem Abschnitt der Profilwand 42, 44 angeordnet, welcher dem Verbindungsbereich 50 und somit auch der Stützrippe 48 gegenüberliegt. Der Schlitz 56 hebt das in seinem Bereich auftretende lokale Temperaturminimum an, da die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsbereichs 50 aufgrund des verminderten Querschnitts reduziert worden ist. Dementsprechend werden die Temperaturgradienten entlang der Profilwände 42, 44 von der Vorderkante 38 zu der Hinterkante 40 vermindert, was sich in dem den Schlitz 50 aufweisenden Abschnitt spannungsreduzierend auswirkt. Die thermischen Spannungen liegen dann auf einem unschädlichen Niveau und das Material des Tragflächenprofils 36 kann dadurch länger den auftretenden Belastungen standhalten.

[0021] Die Schlitze 56 weisen eine Mindestlänge L auf, die mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 20 % der Höhe H des Tragflächenprofils 36 entspricht. Die Höhe H des Tragflächenprofils 36 wird zwischen der Oberfläche 34 der Plattform 32 und der Spitze 58 des Tragflächenprofils 36 ermittelt.

[0022] Da das lokale Temperaturminimum insbesondere im plattformnahen Bereich des Tragflächenprofils 36 auftritt, kann sich der Schlitz 56 in einen abgerundeten Übergangsbereich 60, welcher zwischen der Plattform 32 und dem Tragflächenprofil 36 angeordnet ist, hinein erstrecken. Diese Konfiguration der Schlitze 56 ist durch die in gestrichelter Linienart gezeigten Konturen 62 dargestellt. Ein besonders guter Schutz gegen rissartigen Verschleiß kann außerdem erreicht werden, wenn sich der Schlitz 62 darüber hinaus bis in die Plattform 32 hinein erstreckt.

[0023] FIG 3 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Turbinenschaufel 30 entlang der Schnittlinie III aus FIG 2. Die Turbinenschaufel 30 kann sowohl als Laufschaufel und/oder als Leitschaufel für eine insbesondere stationäre Gasturbine 1 ausgebildet sein.

[0024] Das im Querschnitt gezeigte Tragflächenprofil 36 zeigt die Vorderkante 38, die Hinterkante 40, die saugseitige Profilwand 42, die druckseitige Profilwand 44 sowie zwei die Hohlräume 46 trennende Stützrippen 48, die in einem Verbindungsbereich 50 jeweils in die Profilwände 42, 44 übergehen. In der Schnittdarstellung gemäß FIG 3 sind die gezeigten Schlitze 56 mit einem Füllmaterial aufgefüllt, wodurch sich eine besondere aerodynamische Oberflächenkontur des Tragflächenprofils 36 herbeiführen lässt. Quer zur Strömungsrichtung des Heißgases 11 verlaufende Vorsprünge und Kanten werden dadurch in den Profilwänden 42, 44 vermieden.

[0025] Die Schlitze 56 ragen jeweils mit einer Eindringtiefe E in die Profilwände 42, 44 hinein. Diese kann derart groß sein, dass die Schlitze 56 in den Verbindungsbereich 50 und ggf. sogar darüber hinaus bis in die Stützrippen 48 hineinragen. Dadurch wird gewährleistet, dass der Temperaturunterschied entlang des Tragflächenprofils 36 von der Vorderkante 38 zu der Hinterkante 48 besonders wirksam vergleichmäßigt wird, um so die Lebensdauer der Turbinenschaufel 30 weiter zu erhöhen.

[0026] Besonders wirkungsvoll ist die Erfindung, wenn die hohle Turbinenschaufel 30 und das Tragflächenprofil 36 von einem Kühlmittel, beispielsweise von dem Verdichter 5 der Gasturbine 1 entnommener Verdichterluft, durchströmt werden. In diesem Fall werden bestimmungsgemäß zwar die Profilwände 42, 44 von innen gekühlt, aber ebenso die Stützrippen 48. Der ungewünschte lokale Kälteeintrag bzw. die lokale Wärmeabfuhr aus der Profilwand 42, 44 über den Verbindungsbereichs 50 und über die Stützrippen 48 ist aufgrund der besonders guten wärmetechnischen Kopplung besonders wirksam. Dementsprechend sind die Temperaturunterschiede entlang der Profilwände 42, 44 und somit auch die thermischen Spannungen bei einer innengekühlten Turbinenschaufel 30 besonders groß. So kann die Lebensdauer insbesondere von innengekühlten Turbinenschaufeln 30 mit der Erfindung besonders wirksam verlängert werden.

[0027] Die zur thermischen Entlastung dienenden Schlitze 56 können auch in nur einer Profilwand, beispielsweise der saugseitigen Profilwand 42 oder der druckseitigen Profilwand 44, vorgesehen sein. Außerdem dienen die Schlitze 56, 62 als Begrenzungen für im benachbarten Schaufelmaterial entstehende Risse. Wenn beispielsweise im Bereich des mittleren Hohlraums 46 in einer der beiden Profilwände 42, 44 ein Riss vorhanden ist und dieser sich in Strömungsrichtung des Heißgases 11 verlängert, vergrößert sich dieser zwangsweise maximal bis zu einem der beiden Schlitze 56. Die Verlängerung des Risses über den Schlitz 56 hinaus ist nicht möglich.

[0028] Insgesamt wird mit der Erfindung eine Maßnahme zur Vergleichmäßigung der thermischen Spannung in einem Tragflächenprofil 36 einer Turbinenschaufel 30 angegeben, um die Lebensdauer der Turbinenschaufel 30 und dementsprechend die Betriebszeiten einer damit ausgerüsteten Gasturbine 1 zu erhöhen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass die hohle Turbinenschaufel 30 im Bereich der Stützrippen 48, welche eine saugseitige Profilwand 42 mit einer druckseitigen Profilwand 44 in jeweils einem Verbindungsbereich 50 miteinander verbinden, heißgasseitig angeordnete Schlitze 56 zur Entlastung aufweist.

Ansprüche

1. Hohle Turbinenschaufel (30),
mit einem von einer saugseitigen Profilwand (42) und einer druckseitigen Profilwand (44) gebildeten und von einem Heißgas (11) umströmbaren Tragflächenprofil (36), welches von einer Plattform (32) bis zu einer Profilspitze (58) eine entlang einer Schaufelachse gerichtete Profilhöhe (H) aufweist,
mit mindestens einer im Inneren der Turbinenschaufel (30) vorgesehenen Stützrippe (48), die die druckseitige Profilwand (44) mit der saugseitigen Profilwand (42) in jeweils einem Verbindungsbereich (50) verbindet, und
mit mindestens einem in der Profilwand (42, 44) heißgasseitig vorgesehenen Schlitz (56),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schlitz (56) heißgasseitig in der Profilwand (42, 44) dem von der Stützrippe (48) und der Profilwand (42, 44) gebildeten Verbindungsbereich (50) gegenüberliegt.

2. Turbinenschaufel (30) nach Anspruch 1,
bei der der Schlitz (56) sich entlang der Schaufelachse erstreckt und mindestens eine Länge von 10 %, vorzugsweise von mindestens 20 % der Profilhöhe H aufweist.

3. Turbinenschaufel (30) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der zwischen der Plattform (32) und dem Tragflächenprofil (36) ein abgerundeter Übergangsbereich (60) vorgesehen ist, in welchen sich der Schlitz (56) hinein erstreckt.

4. Turbinenschaufel (30) nach Anspruch 3,
bei der sich der Schlitz (56) in die Plattform (32) hinein erstreckt.

5. Turbinenschaufel (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Schlitz (56) eine Eindringtiefe (E) aufweist, die sich bis in den Verbindungsbereich (50) und/oder in die Stützrippe (48) hinein erstreckt.

6. Turbinenschaufel (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei der der Schlitz (56) mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist.

7. Turbinenschaufel (30) nach Anspruch 6,
bei der das Füllmaterial weicher ist als das Material der Profilwand (42, 44).

8. Gekühlte Turbinenschaufel (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Zeichnung