[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Befestigungsabschnitt, einer
Plattform und einem Schaufelblatt, welche entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel
aufeinanderfolgen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
einer Turbinenschaufel umfassend den Schritt: Herstellen einer monolithischen Rumpfschaufel
umfassend ein Schaufelblatt, eine Plattform und einen Befestigungsabschnitt.
[0002] Turbinenschaufeln und Verfahren zum Herstellen von Turbinenschaufel sind aus dem
umfangreich vorhandenen Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise
werden Turbinenschaufeln für Gasturbinen häufig in einem Gießverfahren hergestellt.
Beim Gießen werden gleichzeitig Schaufelfuß, Plattform und Schaufelblatt aus dem Gießmaterial
geformt, so dass derartige Turbinenschaufeln einstückig sind. Anschließend werden
die dem Heißgas der Turbine ausgesetzten Flächen noch mit einer Korrosionsschutzschicht
und einer Wärmeschutzschicht versehen, um die Lebensdauer der Turbinenschaufel zu
erhöhen. Die gegossenen Turbinenschaufeln sind zumeist auch hohl ausgebildet, damit
im Inneren ein Mittel zur Kühlung des Schaufelmaterials strömen kann. Turbinenschaufeln
von Dampfmaschinen werden zumeist aus dem Vollen gefräst oder sind geschmiedet.
[0003] Die in stationären Turbomaschinen eingesetzten Turbinenschaufeln unterliegen beim
Betrieb der Turbomaschine einer Vielzahl von Belastungen, die die Turbinenschaufeln
sowohl in vorhersehbarer als auch in nicht vorhersehbarer Art und Weise altern und
abnutzen lassen.
[0004] Im Detail treten sowohl niederzyklische als auch höher zyklische Ermüdungsbelastungen
sowie auch thermo-mechanische Belastungen auf. Auch sind Turbinenschaufeln vor Oxidation
und vor Kriechen zu schützen. Die vorgenannten Belastungen betreffen insbesondere
die dem Heißgas oder Heißdampf unmittelbar ausgesetzten Oberflächen und Bestandteile
der Turbinenschaufeln. Befestigungsseitig sind Turbinenschaufeln zudem noch sogenannten
"Auflagerbelastungen" und "Reibbelastungen" ausgesetzt. Im Lichte dieser unterschiedlichen
Belastungen und Anforderungen muss das Material von einstückigen Turbinenschaufeln
so gewählt sein, dass nach Möglichkeit eine Vielzahl, wenn nicht sogar alle Belastungen
vom Material aufgenommen werden, ohne dass eine vorzeitige Alterung oder ein vorzeitiges
Lebensdauerende der Turbinenschaufel erreicht wird. Hinsichtlich der thermischen Belastung
und hinsichtlich der Korrosionsbelastung ist es beispielsweise bekannt, Turbinenschaufeln
von Gasturbinen mit einem Schichtsystem auszustatten, welches deren Material sowohl
vor Korrosion als auch vor einem überhöhten Wärmeeintrag schützt.
[0005] Dennoch können in verschiedenen Bereichen der Turbinenschaufel Verschleißerscheinungen
wie Risse auftreten, die den Betrieb der Turbomaschine gefährden. Aus diesem Grund
ist es bekannt, Turbinenschaufeln nach einer vorbestimmten Einsatzzeit auf derartige
Defekte hin zu überprüfen und bei Vorliegen eines derartigen Befundes die betroffenen
Turbinenschaufeln auszutauschen oder wieder aufzubereiten.
[0006] Auch bekannt ist es, Turbinenschaufeln modular auszugestalten und die entsprechenden
Module aus denjenigen Materialen herzustellen, die auf ihre lokalen Anforderungen
abgestimmt sind. Hier mangelt es häufig jedoch an einer dauerhaften und zuverlässigen
Verbindung.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbinenschaufel mit einem Befestigungsabschnitt,
einer Plattform und einem Schaufelblatt, welche entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel
aufeinander folgen, welche Turbinenschaufel mit besonders geringem Aufwand wiederaufarbeitbar
ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen
von Turbinenschaufeln.
[0008] Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit einer solchen gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf das Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel
gerichtete Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Dabei sind die Merkmale
der jeweiligen Unteransprüche mit den Merkmalen anderer Unteransprüche ohne Weiteres
kombinierbar.
[0009] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere bei betriebsbeanspruchten
Turbinenschaufeln auch am äußeren Rand der Plattform durch Oxidation verursachte Fehlstellen
auftreten können. Diese Oxidationsprobleme treten insbesondere dann auf, wenn die
häufig auch dort vorgesehene Wärmedämmschicht lokal abplatzt. Derartige Befunde können
bei der Turbinenschaufel zu einem erhöhten Betriebsrisiko führen, weswegen derartige
Turbinenschaufeln ausgetauscht oder aufbereitet werden. Die Wiederaufbereitung der
Turbinenschaufel ist bisher vergleichsweise aufwendig. Gleichzeitig kann die Aufarbeitungsquote,
d.h. der Anteil an wiederaufbereiteten Schaufeln, die sich nach der Wiederaufbereitung
tatsächlich weiterhin für den Einsatz in der Turbomaschine qualifizieren, eher gering
sein. Um diesen Effekten entgegenzuwirken wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass
die Plattform - in radialem Bezug auf eine zentrale Längsachse - ein inneres Plattformteil
und ein äußeres Plattformteil umfasst, wobei das äußere Plattformteil als ein den
äußeren Rand des inneren Plattformteils umgreifender endloser Plattformrahmen ausgebildet
ist.
[0010] Sofern eine betriebsbeanspruchte Turbinenschaufel im Bereich des Plattformrands aufzuarbeiten
ist, sind die weiter oben angegebenen Fehlstellen in der Nähe des Plattformrands zu
entfernen, indem der Rand der Plattform beispielsweise durch Fräsen oder Schleifen
zurückgesetzt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass beim Zurücksetzen des
Plattformrands nicht nur die lokale Fehlstelle entfernt wird. Vielmehr wird der Plattformrand
entlang des gesamten Umlaufs zurückgesetzt, um so eine monolithische Rumpfschaufel
herzustellen, deren Plattform als inneres Plattformteil der herzustellenden Turbinenschaufel
eine Anlagefläche für einen Plattformrahmen bereitstellt. Nach dem Anbringen eines
endlosen Plattformrahmens an dem inneren Plattformteil weist die so hergestellte Turbinenschaufel
dann eine Plattform auf, deren Abmaße der ursprünglichen Turbinenschaufel entsprechen.
[0011] Zwar wird bei diesem Verfahren auch nicht beeinträchtiges bzw. beschädigtes Schaufelmaterial
entfernt. Dies hat jedoch den Vorteil, dass die Wiederaufbereitung nicht individuell
- also in Abhängigkeit der defekten Stelle - durchgeführt werden muss, sondern automatisiert
ablaufen kann. Dies reduziert den Aufwand zur Wiederaufarbeitung und die Ausschussrate.
[0012] Selbstverständlich lassen sich nach dem Verfahren auch neue Bauteile, also nicht
durch Betrieb beanspruchte Turbinenschaufeln herstellen, indem zuerst eine sog. Rumpfschaufel
umfassend ein Schaufelblatt, eine Plattform und ein Befestigungsabschnitt in monolithischer
Ausführungsform bereitgestellt wird. Die monolithische Rumpfschaufel kann auf konventionellem
Wege im Gießverfahren hergestellt und beispielsweise auch einkristallin oder gerichtet
erstarrt sein. Nach dem Herstellen der Rumpfschaufel ist der Plattformrand der Rumpfschaufel
ggf. noch entlang des gesamten Umlaufs durch geringfügiges Schleifen oder Fräsen auf
das vorbestimmte, exakte Maß zu bringen, um das innere Plattformteil der Turbinenschaufel
mit einer maßhaltigen Anlagefläche für den Plattformrahmen bereitzustellen. Vor, während
oder danach ist der Plattformrahmen als zumeist rechteckiges Gebilde herzustellen.
Nach dem Anbringen bzw. der Montage des Plattformrahmens an dem maßhaltigen Rand des
inneren Plattformteils ist dann die Turbinenschaufel als Neubauteil hergestellt.
[0013] Der Plattformrahmen kann im Querschnitt unterschiedliche Formen aufweisen. Bevorzugt
sind jedoch derartige Formen, die einen Formschluss mit dem Rand des inneren Plattformteils
herbeiführen. Beispielweise kann die Querschnittform rautenförmig oder C-förmig ausgebildet
sein. Der Rand des inneren Plattformteils ist dabei stets korrespondierend zur Querschnittsform
ausgeführt.
[0014] Besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel und auch des Verfahrens
ist, dass insbesondere auch zwei unterschiedliche Materialien für die Rumpfschaufel
und für den Plattformrahmen verwendet werden können. So kann zusätzlich auf die unterschiedlichen
lokalen Belastungen Rücksicht genommen werden, was ggf. zu einer verlängerten Lebensdauer
der Turbinenschaufel führt.
[0015] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist die höhere Präzision
hinsichtlich der äußeren Abmaße der Plattform, da diese beim Herstellen des Plattformrahmens
sich einfacher herbeiführen lassen als beim Gießen einer rein monolithischen Turbinenschaufel.
[0016] Zum dauerhaften Verbinden des Plattformrahmens mit der Rumpfschaufel sind unterschiedliche
Verfahren einsetzbar. Da der Plattformrahmen als endloser Rahmen ausgestaltet ist,
bietet sich vorzugsweise das Aufschrumpfen des Plattformrahmens auf den umlaufenden
Rand des inneren Plattformteils an. Vor dem Aufschrumpfen kann der Plattformrahmen
erhitzt und/oder die Rumpfschaufel abgekühlt werden. Nach dem Zusammensetzen von Plattformrahmen
und Rumpfschaufel und einer sich anschließenden Temperaturangleichung sitzt der Plattformrahmen
dann fest an dem umlaufenden Rand des inneren Plattformteils. Auch Löten und Schweißen
- punktuell als auch entlang der Verbindungslinie vom Rand des inneren Plattformteils
und Plattformrahmen - sind möglich.
[0017] Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung liegt der Plattformrahmen flächig
an dem inneren Plattformteil an, wobei die Kontaktfläche zumindest teilweise mit der
Längsachse einen Winkel einschließt, welcher größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Eine derartige Anordnung verhindert zumindest in einer Richtung eine Parallelverschiebung
des Plattformrahmens entlang der Längsachse, was insbesondere bei der Verwendung der
Erfindung an Turbinenlaufschaufeln von Vorteil ist. In diesem Fall wird die während
des Betriebs der Turbomaschine auf den Plattformrahmen einwirkende Fliehkraft auch
durch Formschluss aufgrund der in Bezug auf die Längsachse geneigten Kontaktfläche
in das Plattformteil übertragen. Dies verhindert zuverlässig den Verlust des Plattformrahmens
aufgrund der Fliehkraft.
[0018] Vorzugsweise beträgt der Winkel eine Größe zwischen 15° und 35°, beispielsweise liegt
der Winkel bei 20°.
[0019] Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung weist der Plattformrahmen an zumindest
einer seitlich nach außen weisenden Fläche einen Schlitz zur Aufnahme eines Dichtelements
auf. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass bei Verschleiß von im Plattformrand
vorhandenen Schlitzen aufgrund der darin sitzenden blechförmigen Dichtelemente mit
der nunmehr bereitgestellten Erfindung eine einfache und zuverlässige Möglichkeit
besteht, auch derartige betriebsbeanspruchte Turbinenschaufeln wieder aufzuarbeiten.
Zudem lassen sich derartige Schlitze kostengünstiger herstellen als bei rein monolithischen
Turbinenschaufeln.
[0020] Zweckmäßigerweise kann die Turbinenschaufel sowohl als Leitschaufel oder als Laufschaufel
ausgebildet sein.
[0021] Damit die Turbinenschaufel mit dem inneren Plattformteil und dem äußeren Plattformteil
in Form des das innere Plattformteil umgreifenden endlosen Plattformrahmens auch bei
Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden kann, ist es von Vorteil, wenn der innere
Plattformteil und der Plattformrahmen in einem Beschichtungsvorgang beschichtet werden.
Somit kann eine nahtlose Schutzschicht auf beide Plattformteile aufgebracht werden.
[0022] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der Figurenbeschreibung angegeben.
Es zeigen:
- Figur 1
- in perspektivischer Darstellung die Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel,
- Figur 2
- in perspektivischer Darstellung die Draufsicht auf einen Plattformrahmen,
- Figur 3
- den Querschnitt durch eine Turbinenschaufel gemäß Figur 1 und
- Figur 4
- einen Ausschnitt von der Ecke einer Plattform der Turbinenschaufel nach Figur 1 beim
Zusammensetzen von Rumpfschaufel und Plattformrahmen.
[0023] In allen Figuren sind identische Merkmale mit den identischen Bezugsziffern versehen.
[0024] Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel
10 ist als Laufschaufel ausgebildet. Sie könnte jedoch auch als Leitschaufel ausgebildet
sein. Die Turbinenschaufel 10 umfasst entlang ihrer Längsachse 12 unmittelbar aufeinanderfolgend
einen Befestigungsabschnitt 14, eine Plattform 16 sowie ein Schaufelblatt 18. Der
Befestigungsabschnitt 14 ist in einer für eine Laufschaufel typischen Manier nach
Art eines Tannenbaumprofils konturiert. Leitschaufeln für Turbinen weisen anstelle
des tannenbaumförmigen Befestigungsabschnitts 14 zumeist mehrere Haken auf, welche
in einen nicht weiter dargestellten Leitschaufelträger der Turbomaschine eingeschoben
sind.
[0025] Der Befestigungsabschnitt 14 geht in die Plattform 16 über. Gemäß der in Figur 1
gewählten Darstellung weist die Plattform 16 eine nach oben weisende Plattformoberfläche
20 auf, an der sich das Schaufelblatt 18 ansiedelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst die Plattform 16 - in radialem Bezug auf die Längsachse 12 - ein inneres Plattformteil
22 und ein äußeres Plattformteil 24, wobei das äußere Plattformteil 24 als ein den
äußeren Rand 26 des inneren Plattformteils 22 umgreifender endloser Plattformrahmen
28 ausgebildet ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl Befestigungsabschnitt
14, das innere Plattformteil 22 und das Schaufelblatt 18 monolithisch - also einstückig
- ausgebildet. Diese monolithische Einheit wird auch als Rumpfschaufel 19 bezeichnet.
Die gemäß dieser Darstellung zum Schaufelblatt 18 weisenden Flächen 20 des inneren
Plattformteils 22 und des äußeren Plattformteils 24 sind zueinander versatzfrei, so
dass sie - bei der Verwendung der Turbinenschaufel 10 in einer Turbomaschine - für
das in der Turbomaschine strömende Arbeitsmedium eine kanten- und stufenfreie Begrenzungswand
bereitstellen.
[0026] Die Turbinenschaufel 10 kann in beliebiger Weise mit Hilfe eines Kühlmediums innengekühlt
ausgebildet sein. Auch Filmkühlöffnungen und Hinterkantenöffnungen für Kühlmittel
können vorgesehen sein. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel auch ungekühlt
sein.
[0027] Figur 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den Plattformrahmen 28. Der Plattformrahmen
28 umfasst zwei zueinander parallele Längsstreben 30 sowie zwei zueinander parallele
Querstreben 32. Der Plattformrahmen 28 kann aus einem anderen Material hergestellt
sein als die in Figur 1 dargestellte Rumpfschaufel 19. Der Plattformrahmen 28 kann
aber auch aus dem gleichen Material hergestellt sein. Der Plattformrahmen kann auch
durch Verschweißen von den Längsstreben 30 mit den Querstreben 32 hergestellt sein.
Er kann auch gegossen oder aus dem Vollen gefräst sein.
[0028] Figur 3 zeigt einen Schnitt durch die Turbinenschaufel 10 entlang der Längsachse
12. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufel ist der Befestigungsabschnitt
gemäß Figur 3 nicht tannenbaumförmig ausgebildet, sondern schwalbenschwanzförmig.
Zudem zeigt Figur 3 den Plattformrahmen 28 während der Montage an der Rumpfschaufel
19, kurz bevor der Plattformrahmen 28 seine endgültige Montageposition erreicht. Gemäß
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Plattformrahmen 28 im Querschnitt
eine Rautenform auf. Auch andere Formen sind möglich.
[0029] Jede Strebe 30, 32 des Plattformrahmens 28 weist eine nach innen gerichtete erste
Anlagefläche 34 und eine zweite Anlagefläche 36 auf. Ebenso weist der äußere Rand
26 des inneren Plattformteils 22 eine seitlich nach außen weisende erste Anlagefläche
38 sowie eine zweite Anlagefläche 40 auf. Nach der Montage des Plattformrahmens 28
liegen dessen erste Anlagefläche 34 an der ersten Anlagefläche 38 des inneren Plattformteils
22 und dessen zweite Anlagefläche 36 an der zweiten Anlagefläche des inneren Plattformteils
22 flächig an. Die sich so ausbildenden ersten Kontaktflächen und zweiten Kontaktflächen
sind gegenüber der Längsachse 12 unterschiedlich geneigt. Die erste Kontaktfläche
ist im Querschnitt parallel zur Längsachse 12 ausgerichtet. Die zweite Kontaktfläche
ist im Querschnitt jedoch unter einem spitzen Winkel α gegenüber der Längsachse 12
geneigt. Diese Ausführungsform verhindert auch durch Formschluss das Lösen des Plattformrahmens
28 von der Rumpfschaufel 19 bei auf die Turbinenschaufel 10 einwirkenden Fliehkräften.
[0030] Figur 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ecke des inneren Plattformteils
22 und des Plattformrahmens 28 während der Montage. Neben den bereits beschriebenen
Merkmalen ist zudem in Figur 4 an einer seitlich nach außen weisenden Fläche 42 des
Plattformrahmens 28 ein Schlitz 44 zur Aufnahme eines blechförmigen Dichtelements
dargestellt.
[0031] Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenschaufel 10 mit einem Befestigungsabschnitt
14, einer Plattform 16 und einem Schaufelblatt 18, welche entlang einer Längsachse
12 der Turbinenschaufel unmittelbar aufeinander folgen. Um eine besonders langlebige
Turbinenschaufel 10 bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Plattform 16 - in
radialem Bezug auf die Längsachse 12 - ein inneres Plattformteil 22 und ein äußeres
Plattformteil 24 umfasst, wobei das äußere Plattformteil 24 als ein den äußeren Rand
26 des inneren Plattformteils 22 umgreifender endloser Plattformrahmen 28 ausgebildet
ist. Hinsichtlich des Verfahrens wird vorgeschlagen, eine monolithisch hergestellte
Rumpfschaufel 19 zu verwenden oder eine bereits betriebsbeanspruchte Turbinenschaufel
10 entlang des gesamten Umlaufs des Plattformrands anzupassen bzw. zurückzusetzen
und einen endlosen Plattformrahmen 28 herzustellen, welcher anschließend an dem Plattformrand
26 montiert werden kann, um so die ursprünglichen oder planmäßig vorgesehenen Abmessungen
der Turbinenschaufel 10 herzustellen.
1. Turbinenschaufel (10) mit einem Befestigungsabschnitt (14), einer Plattform (16) und
einem Schaufelblatt (18), welche entlang einer Längsachse (12) der Turbinenschaufel
(10) aufeinander folgen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Plattform (16) - in radialem Bezug auf die Längsachse (12) - ein inneres Plattformteil
(22) und ein äußeres Plattformteil (24) umfasst, wobei das äußere Plattformteil (24)
als ein den äußeren Rand (26) des inneren Plattformteils (22) umgreifender endloser
Plattformrahmen (28) ausgebildet ist.
2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der der Plattformrahmen (28) flächig an dem inneren Plattformteil (22) anliegt
und die Kontaktfläche zumindest teilweise mit der Längsachse (12) einen Winkel einschließt,
welcher größer als 0° und kleiner als 90° ist.
3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2,
bei der der Winkel eine Größe zwischen 10° und 35° aufweist.
4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der
das innere Plattformteil (22) und der Befestigungsabschnitt (14) und/oder
das innere Plattformteil (22) und das Schaufelblatt (18) monolithisch sind.
5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der der Plattformrahmen (28) an zumindest einer seitlich nach außen weisenden
Fläche (42) einen Schlitz (44) zur Aufnahme eines Dichtelements aufweist.
6. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der der Plattformrahmen (28) auf dem inneren Plattformteil (22) aufgeschrumpft
ist und/oder mit dieser verlötet und/oder verschweißt ist.
7. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
ausgebildet aus Leitschaufel oder als Laufschaufel.
8. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (10) umfassend die Schritte:
- Herstellen einer monolithischen Rumpfschaufel (19) umfassend ein Schaufelblatt (18),
eine Plattform (16) und einen Befestigungsabschnitt (14),
- Herstellen eines endlosen Plattformrahmens (28) und
- Montage des endlosen Plattformrahmens (28) am Plattformrand (26).
9. Verfahren nach Anspruch 8,
bei dem zum Herstellen der Rumpfschaufel (19) der Plattformrand einer betriebbeanspruchten
Turbinenschaufel entlang ihres gesamten Umlaufs zum Herstellen einer Anlagefläche
(36, 38) für einen endlosen Plattformrahmen (28) zurückgesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8,
bei dem die Rumpfschaufel (19) umfassend einen Befestigungsabschnitt (14), eine Plattform
(16) und ein Schaufelblatt (18) in einem Gießverfahren hergestellt wird und der Plattformrand
(26) als Anlagefläche (36, 38) für einen endlosen Plattformrahmen (28) ausgestaltet
ist.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10,
mit dem Schritt, dass
der Plattformrahmen (28) auf dem inneren Plattformteil (22) aufgeschrumpft ist und/oder
mit der Rumpfschaufel (19) verlötet und/oder verschweißt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11,
mit dem Schritt, dass der innere Plattformteil (22) und der Plattformrahmen (28) in
einem Beschichtungsvorgang beschichtet werden.