(19)
(11) EP 2 918 779 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
16.09.2015  Patentblatt  2015/38

(21) Anmeldenummer: 14158871.5

(22) Anmeldetag:  11.03.2014
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC): 
F01D 5/18(2006.01)
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME

(71) Anmelder: Siemens Aktiengesellschaft
80333 München (DE)

(72) Erfinder:
  • Ahmad, Fathi
    41564 Kaarst (DE)
  • Buchholz, Björn
    45470 Mülheim an der Ruhr (DE)
  • Dahlke, Stefan
    45481 Mülheim a.d. Ruhr (DE)
  • Koch, Daniela
    45130 Essen (DE)
  • Kurt, Nihal
    40231 Düsseldorf (DE)
  • Müsgen, Ralf
    45147 Essen (DE)
  • Radulovic, Radan
    44799 Bochum (DE)
  • Schüler, Marco
    45131 Essen (DE)

   


(54) Turbinenschaufel


(57) Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10), mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (12), die sich von einem schaufelfußseitigem Ende zu einem schaufelkopfseitigen Ende (24) erstrecken, wobei zumindest am fußseitigen Ende oder am kopfseitigen Ende (24) des Schaufelblatts (12) eine quer davon abstehende Plattform (26) vorgesehen ist, derart, dass eine einem Heißgas aussetzbare Oberfläche (28) der betreffenden Seitenwand über eine Hohlkehle (32) in eine dem Heißgas aussetzbaren Oberfläche der Plattform (26) übergeht, wobei die Plattform (26) eine der Heißgas-Oberfläche gegenüberliegende Kaltgas-Oberfläche aufweist, von der aus sich zumindest ein Loch (34) bis in die Heißgas-Oberfläche erstreckt. In dem zumindest einem Loch (34) ist ein Prallkühleinsatz (36) unter Abstand zur Lochwand (42) zur Kühlung der das betreffende Loch (34) umgebenden Wand angeordnet.




Beschreibung


[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt umfassend eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, die sich jeweils von einer Vorderkante des Schaufelblatts zu einer Hinterkante des Schaufelblatts und in einer quer dazu angeordneten Spannweiterichtung von einem schaufelfußseitigen Ende zu einem schaufelkopfseitigem Ende erstrecken, wobei am fußseitigem Ende und/oder am kopfseitigem Ende des Schaufelblatts eine quer davon abstehende Plattform vorgesehen ist, derart, dass eine einem Heißgas aussetzbare Oberfläche der betreffenden Seitenwand des Schaufelblatts über eine Hohlkehle in eine dem Heißgas aussetzbaren Oberfläche der Plattform übergeht, wobei die Plattform eine der Heißgas-Oberfläche gegenüberliegende Kaltgas-Oberfläche aufweist, von der aus sich zumindest ein Loch bis in die Heißgas-Oberfläche erstreckt.

[0002] Derartige Turbinenschaufeln sind beispielsweise aus der EP 1 669 544 A1, EP 1 688 587 A2 oder auch aus der GB 2 253 443 A1 bekannt. Im Stand der Technik werden die in den Übergängen zwischen Schaufelblatt und Plattform mündenden Kühlkanäle zur Energetisierung der wandnahen Strömung und zur Manipulierung von Sekundärströmungen eingesetzt.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer alternativen Turbinenschaufel, deren Lebensdauer weiter verbessert ist.

[0004] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0005] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem zumindest einem Loch ein Prallkühleinsatz unter Abstand zur Lochwand zur Kühlung der das betreffende Loch umgebenden Wand angeordnet ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0006] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die im Vergleich zu den Seitenwänden in ihrer Masse angereichterten hohlkehlartigen Übergänge von Schaufelblatt und Plattform trotz der Durchströmung der Löcher mit Kühlmittel nicht ausreichend gekühlt sein können. Aus diesem Grunde schlägt die Erfindung vor, dass in den betreffenden Löchern ein Prallkühleinsatz unter Abstand zur Lochwand zur Kühlung der das betreffende Loch umgebenden Wand angeordnet ist. Durch die Verwendung des mit Prallkühlöffnungen versehenen Prallkühleinsatzes kann eine effiziente Prallkühlung zur Kühlung des das Loch umgebenden Materials etabliert werden, was die thermische Belastung der Turbinenschaufel im Bereich der Hohlkehle weiter reduziert. Gleichzeitig wird durch das Vorhandensein der Löcher die mechanische Belastung der Turbinenschaufel in der Umgebung der Löcher reduziert, was das Entstehen von Rissen in diesem Bereich verzögert und, sofern bereits Risse entstanden sein sollten, deren Wachstum verzögert.

[0007] Vorzugsweise sind die Löcher in ihrem Querschnitt, welcher senkrecht zur Durchdringungsrichtung orientiert ist, schlitzartig ausgeführt, so dass sie vorzugsweise eine Mündungsöffnung aufweisen, die teilweise im Bereich der Hohlkehle liegt und teilweise im Bereich derjenigen Heißgas-Oberfläche, die der Plattform zuzurechnen ist.

[0008] Insbesondere die schlitzförmigen Löcher, welche wegen ihrer Form auch als Langlöcher bezeichnet werden könnten, führen zu einer reduzierten Steifigkeit der Plattform, was die Turbinenschaufel anpassungsfähiger an unterschiedliche thermische Dehnungen macht. Dies führt zur Reduzierung der mechanischen Spannungen.

[0009] Vorzugsweise umfasst der im Loch angeordnete Prallkühleinsatz heißgasseitig ein verschlossenes Ende, dessen Oberfläche zu der Oberfläche der Umgebung des Loches stufenfrei angepasst ist. Die stufenfreie Anpassung vermeidet das Auftreten von aerodynamischen Verlusten im Heißgas bei Umströmen des Schaufelblatts und der Plattform entlang der Hohlkehle. Gleichzeitig verhindert das heißgasseitig verschlossene Ende des Prallkühleinsatzes einen unnötig höhen Verbrauch an Kühlmittel, wodurch sich die Menge an Kühlmittel zur Kühlung der Lochwände im vernünftigen Rahmen bewegt. Dadurch, dass zwischen Prallkühleinsatz und der Lochwand ein Abstand vorhanden ist, kann das durch die Prallkühlöffnungen des Prallkühleinsatzes austretende Kühlmittel nach abgeschlossener Prallkühlung zur heißgasseitigen Oberfläche der Turbinenschaufel strömen, von wo aus das Kühlmittel unter Bildung einer Filmkühlung stromab des Loches gelegene Wandabschnitte der Turbinenschaufel vor den Einflüssen des Heißgases schützen kann. Der Begriff "stromab" bezieht sich dabei auf die Strömungsrichtung des Heißgases, welches dem austretenden Kühlmittel seine Richtung aufprägt.

[0010] Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann selbstverständlich auch eine bereits betriebsbeanspruchte Turbinenschaufel sein, die im Rahmen einer Wiederaufarbeitung durch das nachträgliche Einbringen der besagten Löcher bzw. Schlitze und der Prallkühleinsätze aufgerüstet werden kann.

[0011] Weiter bevorzugt liegt der Kaltgas-Oberfläche der Plattform ein Prallkühlelement unter Abstand gegenüber, an dem der Prallkühleinsatz - besser gesagt ein einströmseitiges Ende des Prallkühleinsatzes - befestigt ist. Hierdurch kann eine besonders einfache Art und Weise der Befestigung des Prallkühleinsatzes bereitgestellt werden. Abstandshalter zwischen Lochwand und Prallkühleinsatz sind dann nicht oder in nur sehr eingeschränktem Umfang erforderlich.

[0012] Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die betreffenden Löcher schaufelblattdruckseitig in einem Bereich zwischen 20% und 80% einer Profilsehne, deren normierte Länge sich von 0% an der Vorderkante zu 100% an der Hinterkante des Schaufelblatts erstreckt, vorgesehen sind. Da im Betrieb die Druckseitenwand der Turbinenschaufel einer anderen Temperatur ausgesetzt ist als die Saugseitenwand der Turbinenschaufel und somit beide besagten Seitenwände sich unterschiedlich thermisch dehnen, kann die voran beschriebene Turbinenschaufel die unterschiedlichen thermischen Dehnungen besser kompensieren, da die Steifigkeiten der Druckseitenwand und der Saugseitenwand im Bereich ihrer Befestigung - also im Bereich der Hohlkehle - durch die voran genannten Merkmale lokal aneinander sind.

[0013] Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt umfassend eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, die sich jeweils von einer Vorderkante des Schaufelblatts zu einer Hinterkante des Schaufelblatts und in einer dazu quer angeordneten Spannweiterichtung von einem schaufelfußseitigem Ende zu einem schaufelkopfseitigem Ende erstrecken, wobei am fußseitigem Ende und/oder am kopfseitigem Ende des Schaufelblatts eine quer davon abstehende Plattform vorgesehen ist, derart, dass eine einem Heißgas aussetzbare Oberfläche der betreffenden Seitenwand über eine Hohlkehle in eine dem Heißgas aussetzbaren Oberfläche der Plattform monolithisch angeordnet, wobei die Plattform eine der Heißgas-Oberfläche gegenüberliegende Kaltgas-Oberfläche aufweist, von der aus sich zumindest ein Loch bis in die Heißgas-Oberfläche erstreckt. Um eine besonders langlebige Turbinenschaufel anzugeben, deren Steifigkeit im Bereich des Übergangs von Schaufelblatt zur Plattform angepasst ist und deren Übergangsbereich von Schaufelblatt zur Plattform besser gekühlt ist, ist vorgesehen, dass in dem zumindest einem Loch ein Prallkühleinsatz unter Abstand zur Lochwand zur Kühlung der das betreffende Loch umgebenden Wand angeordnet ist.

[0014] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in der Figurenbeschreibung näher erläutert.

[0015] Es zeigen:
Figur 1
eine perspektivische Darstellung einer Turbinenschaufel,
Figur 2
den Schnitt entlang der Schnittlinie II-II durch die Turbinenschaufel nach Figur 1 mit in den Löchern angeordneten Prallkühleinsätzen und
Figur 3
die perspektivische Darstellung eines Prallkühlelements mit mehreren daran angeordneten Prallkühleinsätzen zur Verwendung an bzw. in der Turbinenschaufel gemäß Figur 1.


[0016] In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0017] Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Teil einer gegossenen Turbinenschaufel 10 umfassend ein Schaufelblatt 12, welches aerodynamisch gekrümmt ist. Das Schaufelblatt 12 umfasst in bekannter Manier eine Druckseitenwand 14 und eine dieser gegenüberliegenden Saugseitenwand 16, wobei sich beide Wände von einer gemeinsamen Vorderkante 18 zu einer gemeinsamen Hinterkante 20 erstrecken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Turbinenschaufel 10 als so genannte Cut-Back-Turbinenschaufel ausgestaltet, die unmittelbar stromauf der Hinterkante 20 eine Vielzahl von Öffnungen 22 umfasst, aus denen ein Kühlmittel, vorzugsweise Kühlluft, aus dem Inneren der Turbinenschaufel 10 austreten kann. Die Öffnungen 22 sind dabei durch Stege voneinander getrennt.

[0018] Sowohl die Druckseitenwand 14 als auch die Saugseitenwand 16 erstrecken sich von einem nicht weiter dargestellten fußseitigen Ende zu einem kopfseitigen Ende 24 des Schaufelblatts 12. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist am kopfseitigen Ende 24 des Schaufelblatts 12 eine Plattform 26 monolithisch angeordnet, die sich im Bezug auf die Erstreckung des Schaufelblatts 12 quer davon erstreckt. Bei der Verwendung der gezeigten Turbinenschaufel 10 in einer Gasturbine kann entlang der Oberfläche 28 des Schaufelblatts 12 bzw. der Oberfläche 30 der Plattform 26 ein Heißgas strömen.

[0019] Die Oberfläche 28 der Seitenwände 14, 16 sowie die Oberfläche 30 der Plattform 26 gehen jeweils über eine Hohlkehle 32 stufenlos ineinander über. Schaufelblattdruckseitig sind im Übergangsbereich zwischen der Plattform 26 und des Schaufelblatts 12 vier Löcher 34 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Löcher 34 eine Schlitzform auf, die zur Vermeidung von Kerbspannungen an ihren jeweiligen Enden abgerundet sind. Mithin lassen sich die Löcher 34 auch als Langlöcher bezeichnen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Langlöcher vorgesehen. Es ist selbstverständlich, dass auch mehr oder weniger Löcher vorgesehen sein können. Die in der Heißgas-Oberfläche mündenden Öffnungen der Löcher 34 liegen einerseits in derjenigen Heißgas-Oberfläche, die zur Plattform 26 zuzurechnen ist und andererseits in derjenigen Heißgas-Oberfläche, die der Hohlkehle 32 zuzurechnen ist.

[0020] Das Schaufelblatt 12 lässt sich insbesondere charakterisieren durch eine Profilsehne 37, welche eine gedachte Linie zwischen der Vorderkante 18 und der Hinterkante 20 darstellt. Im Sinne dieser Anmeldung weist die Profilsehne eine normierte Länge von 100% auf, deren Beginn mit der Vorderkante 18 und deren Ende mit der Hinterkante 20 des Schaufelblatts 12 zusammenfällt. Im Ausführungsbeispiel liegen die Löcher 34 in einem Abschnitt von 20% bis 70% der Profilsehne 37.

[0021] Wie aus Figur 1 hervorgeht können die Löcher 34, sofern sie schlitzförmig ausgeführt sind, mit der Profilsehne 37 einen Winkel α einschließen, der in der Größenordnung von etwa 60° liegt.

[0022] Aus Gründen der besseren Darstellung der Erfindung sind die erfindungsgemäßen Prallkühleinsätze in den Löchern 34 in Figur 1 nicht dargestellt.

[0023] Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Turbinenschaufel 10 gemäß Figur 1 entlang der Schnittlinie II-II, jedoch mit in den Löchern 34 angeordneten Prallkühleinsätzen. Zu erkennen in Figur 2 sind: die Plattform 26, deren Heißgas-Oberfläche 30, die Hohlkehle 32, die Löcher 34 sowie in jedem der Löcher 34 einen darin sitzenden Prallkühleinsatz 36. Jeder Prallkühleinsatz 36 umfasst ein heißgasseitig verschlossenes Ende 38. Die Prallkühleinsätze 36 sind zudem im Inneren hohl ausgeführt, so dass in deren Wänden Prallkühlöffnungen 40 vorgesehen sind. Gleichzeitig ist ein geringer Abstand zwischen der äußeren Fläche des Prallkühleinsatzes 36 und den Lochwänden 42 vorgesehen. Die Prallkühleinsätze 36 sind an einem Prallkühlelement 44 befestigt, so dass sie ein einströmseitiges Ende 46 aufweisen, durch welches im Betrieb Kühlluft in das Innere des Prallkühleinsatzes 36 strömen kann. Anschließend tritt die Kühlluft in Form von Prallkühlstrahlen durch die Prallkühlöffnungen 40 aus und trifft prallkühlend auf die Lochwände 42. Von dort aus strömt die Kühlkluft zur heißgasseitigen Oberfläche ab.

[0024] Figur 3 zeigt in perspektivischer Darstellung allein das Prallkühlelement 44 mit daran angeordneten Prallkühlöffnungen 40 sowie vier daran befestigte Prallkühleinsätze 36. In den Prallkühleinsätzen 36 sind ebenfalls Prallkühlöffnungen 40 vorgesehen. Zur Bildung der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel wird von der Kaltgasseite der Plattform 26 her das in Figur 3 dargestellte Prallkühlelement 44 samt der daran befestigten Prallkühleinsätze 36 in die in Figur 1 dargestellte Turbinenschaufel 10 eingesetzt. Das Prallkühlelement 44 wird dann in bekannter Art und Weise an der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufel 10 befestigt, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Anschließend kann die Turbinenschaufel 10 in einer Gasturbine bestimmungsgemäß verwendet werden, wobei dann von der Rückseite der Plattform her Kühlluft zum Prallkühlelement 44 und in die Prallkühleinsätze 36 zuführbar bzw. einströmbar ist, um die die Löcher 34 umgehenden Wände 42 in effizienterer Weise in als bisher Form einer Prallkühlung zu kühlen.

[0025] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.


Ansprüche

1. Turbinenschaufel (10),
mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (12) umfassend eine Druckseitenwand (14) und eine Saugseitenwand (16), die sich jeweils von einer Vorderkante (18) des Schaufelblatts (12) zu einer Hinterkante (20) des Schaufelblatts (12) und in einer dazu quer angeordneten Spannweiterichtung von einem schaufelfußseitigem Ende (23) zu einem schaufelkopfseitigen Ende (24) erstrecken,
wobei am fußseitigen Ende (23) und/oder am kopfseitigen Ende (24) des Schaufelblatts (12) eine quer davon abstehende Plattform (26) vorgesehen ist, derart, dass eine einem Heißgas aussetzbare Oberfläche (28) der betreffenden Seitenwand über eine Hohlkehle (32) in eine dem Heißgas aussetzbaren Oberfläche der Plattform (26) übergeht, wobei die Plattform (26) eine der Heißgas-Oberfläche gegenüberliegende Kaltgas-Oberfläche aufweist, von der aus sich zumindest ein Loch (34) bis in die Heißgas-Oberfläche erstreckt,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem zumindest einem Loch (34) ein Prallkühleinsatz (36) unter Abstand zur Lochwand (42) zur Kühlung der das betreffende Loch (34) umgebenden Wand angeordnet ist.
 
2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der das zumindest eine Loch (34) heißgasseitig zumindest teilweise oder vollständig in der Hohlkehle (32) mündet.
 
3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der der Prallkühleinsatz (36) heißgasseitig ein verschlossenes Ende (38) umfasst, dessen Oberfläche der Umgebung des Loches (34) stufenfrei angepasst ist.
 
4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der der Kaltgas-Oberfläche der Plattform (26) ein Prallkühlelement (44) unter Abstand gegenüberliegt, an dem das Prallkühlelement (44) befestigt ist.
 
5. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die betreffenden Löcher (34) schaufelblattdruckseitig in einem Bereich zwischen 20% und 80% einer Profilsehne (37), deren Länge sich von 0% an der Vorderkante (18) zu 100% an der Hinterkante (20) des Schaufelblatts (12) erstreckt, vorgesehen sind.
 




Zeichnung










Recherchenbericht









Recherchenbericht




Angeführte Verweise

IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente