Turbinenschaufel

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10) mit einem aerodynamisch profilierten Schaufelblatt (16), welches aus zwei zusammengefügten Schalenelementen (28, 30) hergestellt ist. Die die saugseitige und die druckseitige Schaufelblattwand (18, 20) bildenden Schalenelemente (28, 30) sind mittels eines Hochtemperatur-Hochdruck-Bonding-Prozesses zusammengefügt worden, die unter Umständen an der Schaufelspitze (36) auseinander klaffen können. Um dies zu verhindern, ist im Bereich der Schaufelblattspitze (36) eine Klammer (40) vorgesehen, welche die beiden Schaufelwände (18, 20) formschlüssig miteinander verhakt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, mit einem Befestigungs- und Plattformbereich, an dem sich ein mindestens zwei gegenüberliegende Schalenelemente umfassendes Schaufelblatt mit einer Schaufelblattspitze anschließt, welche Schalenelemente als eine saugseitige Schaufelblattwand und als eine druckseitige Schaufelblattwand miteinander verbunden sind.

[0002] Aus der EP 1 283 325 A1 ist eine Gasturbinenschaufel mit einem aerodynamisch profilierten Schaufelblatt bekannt, welches aus zwei Schalenelementen zusammengefügt ist. Die beiden Schalenelemente sind ihrer Längserstreckung nach durch einen Hochdruck- und Hochtemperatur-Bonding-Prozess sowohl anströmkantenseitig als auch abströmkantenseitig miteinander fest verbunden.

[0003] Nachteilig bei dem bekannten Stand der Technik ist, dass sich die Bonding-Verbindung des längs geschlitzten Schaufelblattes im Bereich der Blattspitze ggf. lösen kann und so die beiden Einzelschalen im Betrieb auseinanderklaffen können. Dies führt während des Betriebes zu Strömungsverlusten. Außerdem besteht in Einzelfällen die Gefahr, dass die beiden Schalenelemente sich vollständig voneinander lösen und schwerwiegende Sekundärschäden in der Turbine hervorrufen können.

[0004] Ferner ist aus der US 3,899,267 ein Verschlusseinsatz für eine Schaufelblattspitze einer Laufschaufel bekannt, welche zwischen den beiden das Schaufelblatt bildenden Seitenwänden im Bereich der Schaufelspitze eingesetzt ist. Dabei sitzt der im Querschnitt C-förmige Verschlusseinsatz in zwei sich einander gegenüberliegenden Taschen, welche jeweils an der Innenseite der jeweiligen Schaufelblattwand vorgesehen sind. Um den Verschlusseinsatz gegen Verlust zu sichern, sind Vorsprünge an den Innenseiten vorgesehen, welche die auf den Verschlusseinsatz wirkenden Fliehkräfte auffangen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, bei der die beiden Schalenelemente sicher miteinander verbunden sind.

[0006] Die zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Angabe einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, bei der die beiden Schalenelemente im Bereich der Schaufelblattspitze durch Formschluss gegen Auseinanderklaffen gesichert sind.

[0007] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die beispielsweise mittels des Bonding-Prozesses hergestellte Verbindung in Einzelfällen nicht ausreichend sein kann, die beiden Schalenelemente gegen Auseinanderklaffen zu sichern. Daher wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die beiden Schalenelemente im Bereich der Blattspitze einen Formschluss aufweisen, der das Auseinanderklaffen, d.h. das voneinander Wegbewegen der beiden Schalenelemente im Bereich der Schaufelblattspitze bei sich lösender Verbindung verhindert. Dementsprechend kann mit der angegebenen Turbinenschaufel ein besonders sicherer Betrieb einer Gasturbine angegeben werden, sofern diese mit der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ausgestattet ist. Darüber hinaus werden die Strömungsverluste, die beim Auseinanderklaffen zweier Schalenelemente auftreten, wirksam verhindert. Eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Gasturbine wird daher aus diesen Gründen nicht eintreten.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der Formschluss durch ein Verhakungsmittel gebildet, welches zwischen den beiden Schalenelementen angeordnet mit jedem der Schalenelemente verhakt ist. Dabei ist die Verhakungsrichtung so gewählt, dass ein Auseinanderklaffen der beiden Schalenelemente im Bereich der Schaufelblattspitze nach Herstellung des Formschlusses sicher vermieden ist. Folglich weisen beide Schalenelemente jeweils an ihrer Innenseite, welche ihrer heißgasbeaufschlagten Außenseite jeweils gegenüberliegt, einen Haken auf, der jeweils einen zur Schaufelblattwand annähernd parallelen Vorsprung umfasst. Zu diesem Vorsprung weist das Verhakungsmittel, was vorzugsweise als im Querschnitt E-förmige Klammer ausgebildet ist, zwei gegenüberliegende Klammerenden auf, welche zu den an den Schalenelementen vorgesehenen Haken komplementär ausgebildet sind. Jedes Klammerende kann den an dem Haken vorgesehenen Vorsprung hintergreifen, so dass eine Bewegung der Schalenelemente voneinander weg bei sich lösender Verbindung sicher vermieden ist.

[0010] Zusätzlich kann das Verhakungsmittel mit mindestens einem der Schalenelemente kraftschlüssig, d.h. verlötet oder verschweißt, verbunden sein. Hierdurch wird eine besonders sichere und auch definierte Lage des Verhakungsmittels in Bezug auf die Schalenelemente erreicht. Es kann sich somit nicht aus seiner Betriebslage lösen und unkontrolliert in einen von den Schalenelementen umgebenen Innenraum gelangen.

[0011] Um ein besonders einfach einbaubares Verhakungsmittel vorzuschlagen, kann dies auch mehrteilig ausgebildet sein. Dadurch wird erreicht, dass es zwischen den einander gegenüberliegenden Schalenelementen durch die von diesen gebildete Öffnung vergleichsweise problemlos eingebracht und anschließend positioniert werden kann.

[0012] Vorzugsweise ist das Verhakungsmittel zwischen den beiden Schalenelementen vorgesehen, so dass, wenn die Turbinenschaufel als Laufschaufel ausgebildet ist, durch die an den Innenseiten der Schaufelblattwände angeordneten Haken gegen ein Herauslösen unter Fliehkrafteinwirkung gesichert ist. Um Strömungsverluste beim Betrieb der Gasturbine weiter zu reduzieren, kann das Verhakungsmittel auch als Krone an der Schaufelblattspitze befestigt sein, an welcher darüber hinaus Anstreifkanten vorgesehen sein können. Mittels der Anstreifkanten kann ein besonders kleiner Radialspalt zwischen der Schaufelblattspitze und der dieser gegenüberliegenden Begrenzungswand des Gaskanals erreicht werden.

[0013] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst jedes Schalenelement einen Haken, welche als Verhakungsmittel komplementär zueinander ausgebildet ineinander greifen. Ein separates Bauteil zum Verhaken ist in diesem Fall nicht erforderlich. Einer der beiden Haken ragt zur Schaufelspitze hin, der andere der beiden Haken zum Schaufelfuß hin. Zur Herstellung der Verhakung gegen schaufelspitzseitiges Auseinanderklaffen werden die beiden noch nicht verbundenen, radial versetzt aneinander liegenden Schalenelemente in Radialrichtung verschoben, bis Schaufelfuß und Schaufelspitze beider Schalenelemente jeweils bündig einander gegenüberliegen und die beiden Haken formschlüssig ineinander greifen. Anschließend werden die beiden Schalenelemente dauerhaft und fest miteinander verbunden. Sofern die Turbinenschaufel als Laufschaufel mit einem im Querschnitt hammer- oder tannenbaumförmigen Fuß ausgestattet ist, welcher in eine korrespondierende Nut zur Befestigung am Rotor der Turbine eingeschoben wird, sichert auch der in der Nut eingeschobene Schaufelfuß die Verhakung gegen ungewolltes Lösen, da bei montierter Turbinenschaufel eine radiale Verschiebung der beiden Schalenelemente nicht möglich ist.

[0014] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:

FIG 1

eine Gasturbinenlaufschaufel in einer Seitenansicht und

FIG 2

die Schaufelblattspitze der Gasturbinenlaufschaufel gemäß FIG 1 im Querschnitt.

[0015] Eine modulare Turbinenschaufel 10 für eine vorzugsweise stationäre Gasturbine ist in FIG 1 abgebildet. Die Turbinenschaufel 10 ist in Form einer Laufschaufel 12 dargestellt, welche zur Befestigung in einer nicht dargestellten Nut einer Rotorscheibe einen Befestigungs- und Plattformbereich 14 aufweist. Der Befestigungsbereich ist als im Querschnitt tannenbaum- oder hammerförmiger Laufschaufelfuß ausgebildet. An den Befestigungs- und Plattformbereich 14 schließt sich ein aerodynamisch profiliertes Schaufelblatt 16 an, welches eine im wesentlichen konvex gebogene saugseitige Schaufelblattwand 18 und eine dieser gegenüberliegenden im wesentlichen konkav gebogenen druckseitigen Schaufelblattwand 20 aufweist. Die beiden Schaufelblattwände 18, 20 erstrecken sich entlang einer Sehne 27 von einer anströmseitigen Vorderkante 22 zu einer abströmseitigen Hinterkante 24, bezogen auf das das Schaufelblatt 16 beim Betrieb der Gasturbine umströmende heißgasförmige Arbeitsmedium 26.

[0016] Die saugseitige Schaufelblattwand 18 wird von einem ersten Schalenelement 28 gebildet und die druckseitige Schaufelblattwand 20 von einem zweiten Schalenelement 30. Die beiden Schalenelemente 28, 30 sind in einem schraffiert dargestellten Verbindungsbereich 32 vorderkantenseitig und hinterkantenseitig durch einen Hochdruck- und Hochtemperatur- Bonding-Prozess dauerhaft und fest miteinander verbunden. Zwischen den beiden Verbindungsbereichen 32 liegt ein von den Schalenelementen 28, 30 umgebener Innenraum 34, der sich im Innern des Schaufelblattes 16 vom befestigungsseitigen Ende zu einer Schaufelblattspitze 36 erstreckt.

[0017] Um das Auseinanderklaffen der beiden Schalenelemente 28, 30 im Bereich der Schaufelblattspitze 36 wirksam zu verhindern, ist in diesem Bereich als Verhakungsmittel 39 eine Klammer 40 vorgesehen. Hierzu zeigt FIG 2 den Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II aus FIG 1. An einer Innenseite 42, 44 der Schaufelblattwand 18, 20, welche jeweils der heißgasbeaufschlagten Außenseite der Schaufelblattwand 18, 20 gegenüberliegt, ist jeweils ein sich entlang der Sehne 27 erstreckender Haken 46, 48 vorgesehen, der jeweils einen sich im wesentlichen parallel zu den Schaufelblattwänden 18, 20 erstreckenden Vorsprung 50, 52 umfasst. Als im Querschnitt E-förmige Klammer 40 weist diese zwei gegenüberliegende Klammerenden 54, 56 auf, welche jeweils komplementär zu den an den Schalenelementen 28, 30 angeordneten Haken 46, 48 ausgebildet sind und deren Vorsprünge 50, 52 formschlüssig hintergreifen. Bezogen auf die Einbaulage in einer Gasturbine erstrecken sich die Vorsprünge 50, 52 in Radialrichtung, vorzugsweise nach innen. Hierdurch ergibt sich eine Verhakung, bei der die Klammer 40 in Fliehkraftrichtung gegen Herauslösung von den Haken 46, 48 gesichert ist.

[0018] Der mittlere Bereich 57 der E-förmigen Klammer 40 füllt den Bereich zwischen den beiden Vorsprüngen 50, 52 aus, so dass an der Schaufelblattspitze 36 zwei überstehende Dichtlippen 53 ausgebildet sind. Gleichzeitig verschließt die Klammer 40 den Innenraum 34 an der Schaufelblattspitze 36, wodurch ein möglicherweise schadhaftes Eindringen von heißem Arbeitsmedium 26 vermieden wird.

[0019] Da die Vorsprünge 50, 52 mit den aneinander gegenüberliegenden Klammerenden 54, 56 in einer Richtung senkrecht zur Radialrichtung miteinander verhakt sind, können die beiden Schalenelemente 28, 30 aufgrund der formschlüssigen Verbindung nicht auseinanderklaffen. Auch das unmittelbare Aneinanderliegen der Schalenelemente 28, 30 zwischen Vorderkante 22 und Hinterkante 24 im Bereich der Blattspitze 36 wird durch die dann als Abstandshalter wirkende Klammer 40 vermieden.

[0020] Um ein besonders gesichertes Verhakungsmittel 39 bereitzustellen, kann dieses mit mindestens einem der Schalenelemente 28, 30 punktweise oder entlang der Stoßnaht 58 verlötet oder verschweißt sein. Auch kann das Verhakungsmittel 39 und/oder die Haken 46, 48 jeweils entlang der Sehne 27 in mehrere Segmente unterteilt sein. Das mehrteilige Verhakungsmittel 39 kann dann besonders einfach montiert werden bzw. die einstückige Klammer 40 kann dann besonders einfach in den Innenraum 34 eingebracht werden. Optional kann im mittleren Bereich 57 des Verhakungsmittels 39 bzw. der Klammer 40 eine radial nach außen gerichtete Anstreifkante vorgesehen sein, welche die Dichtwirkung zwischen der Schaufelblattspitze 36 und einer beim Betrieb gegenüberliegenden Begrenzungswand weiter verbessert ist.

[0021] Anstelle der gezeigten Verhakung 39 können auch die Schalenelemente 28, 30 unmittelbar miteinander verhakt sein. Die in FIG 2 gezeigte Lösung ist derart abzuändern, dass zum einen die beiden Haken 46, 48 zum gegenüberliegenden Schalenelement 30, 28 hin verlängert werden und zum anderen einer der Haken 46, 48 anstelle nach radial innen, d.h. zum Schaufelfuß hin, nach radial außen, d.h. zur Schaufelblattspitze 36 hin, ragen, so dass diese dann formschlüssig ineinander greifen können. Für diesen Fall ist dann kein separates Bauteil als Verhakungsmittel 39 erforderlich.

Ansprüche

1. Turbinenschaufel (10) für eine Gasturbine,
mit einem Befestigungs- und Plattformbereich (14),
an dem sich ein zwei gegenüberliegende Schalenelemente (28, 30) umfassendes Schaufelblatt (16) mit einer Schaufelblattspitze (36) anschließt,
welche Schalenelemente (28, 30) als eine saugseitige Schaufelblattwand (18) und als eine druckseitige Schaufelblattwand (20) miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Schalenelemente (28, 30) im Bereich der Schaufelblattspitze (36) durch Formschluss gegen Auseinanderklaffen gesichert sind.

2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der der Formschluss durch ein Verhakungsmittel (39) gebildet ist, welches zwischen den beiden Schalenelementen (28, 30) angeordnet mit diesem verhakt ist.

3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2,
bei der das Verhakungsmittel (39) eine separate, insbesondere im Querschnitt E-förmige Klammer (40) mit zwei gegenüberliegenden Klammerenden (54, 56) umfasst,
welche jeweils in einen dazu komplementär ausgebildeten, an einem der Schalenelemente (28, 30) angeordneten Haken (46, 48) eingreifen.

4. Turbinenschaufel nach Anspruch 2 oder 3,
bei der das Verhakungsmittel (39) mit mindestens einem der Schalenelemente (28, 30) verlötet oder verschweißt ist.

5. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der das Verhakungsmittel (39) mehrteilig ausgebildet ist.

6. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der das Verhakungsmittel (39) eine Anstreifkante aufweist.

7. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der das Verhakungsmittel (39) einen von den Schalenelementen (28, 30) teilweise umgebenden Innenraum (34) zur Schaufelblattspitze (36) hin begrenzt.

8. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2,
bei der jedes Schalenelement (28, 30) einen Haken umfasst, welche als Verhakungsmittel (39) komplementär zueinander ausgebildet ineinander greifen.

9. Gasturbine mit einer Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

Zeichnung