Turbinenschaufel und zugehörige Turbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) mit einem Turbinenschaufelblatt (3), in welchem ein Hohlraum (5) ausgebildet ist, welcher von einem Rippenelement (15) unterteilt ist, dessen Rippenhöhe (25) sich von einer Vorderseitenwand (6) des Turbinenschaufelblatts zu einer Hinterseitenwand (7) des Turbinenschaufelblatts (3) erstreckt, wobei der Rippenquerschnitt (35) des Rippenelements (15) derart ausgestaltet ist, dass die durch thermische Differenzen zwischen der Vorder- und Hinterseitenwand (6, 7) innerhalb des Rippenelements (15) hervorgerufene Spannungen mittels eines verbesserten Verformungsvermögens des Rippenelements (15) kompensierbar sind. Eine zugehörige Turbine wird ebenfalls präsent.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Turbinenschaufelblatt, in welchem ein Hohlraum ausgebildet ist, welcher von einem Rippenelement unterteilt ist, dessen Rippenhöhe sich von einer Vorderseitenwand des Turbinenschaufelblatts zu einer Hinterseitenwand des Turbinenschaufelblatts erstreckt.

[0002] Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln.

[0003] Gattungsgemäße Turbinenschaufeln sowie Turbinen und Gasturbinen sind aus dem Stand der Technik bereits gut bekannt. Oftmals ist eine diesbezügliche Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt ausgerüstet, um selbst hohen in der Turbine, insbesondere in einer Heißgasturbine, vorherrschenden Temperaturen thermisch und mechanisch standhalten zu können. Hierzu besitzt ein derartiges innengekühltes Turbinenschaufelblatt einen Hohlraum, durch welchen ein Kühlmedium durchgeleitet werden kann. In diesem Hohlraum ist unter anderem auch aus Stabilitätsgründen oftmals noch zusätzlich ein Rippenelement oder eine Vielzahl an Rippenelementen angeordnet. Mit diesem Rippenelement bzw. diesen Rippenelementen kann der Hohlraum darüber hinaus auch in verschiedene Kühlkanäle unterteilt werden. Gerade in Heißgasturbinen sind die Turbinenschaufeln oftmals thermisch und mechanisch höher belastet. Insbesondere wenn die Vorderflächenseite des Turbinenschaufelblatts, also die Druckflächenseite des Turbinenschaufelblatts, und die Hinterflächenseite des Turbinenschaufelblatts, also die Saugflächenseite des Turbinenschaufelblatts, thermisch weniger gut ausbalanciert sind, können diese im Bereich eines diesbezüglichen das Turbinenschaufelblatt aussteifenden Rippenelements mit thermisch bedingten Spannungen ungünstig beaufschlagt werden. Hierdurch können sich an dem Turbinenschaufelblatt kritische Spannungszustände einstellen, wodurch die Turbinenschaufel insgesamt nachteiligen Belastungszuständen ausgesetzt ist.

[0004] Es ist Aufgabe der Erfindung, gattungsgemäße Turbinenschaufeln derart weiterzuentwickeln, dass zumindest die vorstehend genannten Nachteile überwunden werden können.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Turbinenschaufel mit einem Turbinenschaufelblatt gelöst, in welchem ein Hohlraum ausgebildet ist, welcher von einem Rippenelement unterteilt ist, dessen Rippenhöhe sich von einer Vorderseitenwand des Turbinenschaufelblatts zu einer Hinterseitenwand des Turbinenschaufelblatts erstreckt, wobei der Rippenquerschnitt des Rippenelements derart ausgestaltet ist, dass die durch thermische Differenzen zwischen der Vorder- und Hinterseitenwand innerhalb des Rippenelements hervorgerufene Spannungen mittels eines verbesserten Verformungsvermögens des Rippenelements kompensierbar sind.

[0006] Ist das Verformungsvermögen des Rippenelements im Sinne der Erfindung erhöht, kann sich dieses Rippenelement signifikant besser als bisher verformen, so dass insbesondere thermisch bedingte Spannungen im Turbinenschaufelblatt durch das vorliegende Rippenelement wesentlich besser aufgenommen werden können, wodurch speziell die Vorder- und Hinterseitenwand des Turbinenschaufelblatts durch eine dem Rippenelement innewohnenden Steifigkeit weniger belastet werden.

[0007] Insofern ist es vorteilhaft, wenn das Rippenelement eine geringere Steifigkeit und im Umkehrschluss bessere Federungseigenschaften aufweist.

[0008] Insbesondere ein verbessertes Verformungsvermögen kann konstruktiv einfach erzielt werden, wenn das Rippenelement einen Rippenquerschnitt aufweist, welcher von einem im Wesentlichen rechteckig ausgestalteten Rippenquerschnitt verschieden ist.

[0009] Bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel handelt es sich bevorzugt um eine Turbinenschaufel einer Gasturbine und speziell einer Heißgasturbine, da diesbezügliche Turbinenschaufeln thermisch besonders stark belastet sind, so dass gerade diese Turbinenschaufeln durch die Erfindung besonders vorteilhaft weiterentwickelt werden können.

[0010] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Rippenquerschnitt derart ausgestaltet ist, dass das Rippenelement quer zu seiner Längserstreckung ein verbessertes Biegevermögen aufweist. Durch ein derart ausgestaltetes Rippenelement können die eingangs beschriebenen Nachteile konstruktiv einfach überwunden werden.

[0011] Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, das Rippenelement in Richtung der Rippenhöhe zumindest teilweise bogenförmig ausgestaltet ist. Ein zwischen der Vorder- und Hinterseitenwand angeordnetes bogenförmig ausgeformtes Rippenelement kann sich wesentlich besser verformen und/oder sich in Bezug auf seine Rippenhöhe nach radial seitlich wesentlich besser durchbiegen, als dies ein im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildetes Rippenelement vermag. Speziell hierdurch kann das Biegevermögen des Rippenelements erhöht werden.

[0012] Ein ausreichend steifes, aber dennoch gut federndes Rippenelement kann bereitgestellt werden, wenn das Rippenelement über die gesamte Rippenhöhe gekrümmt ausgestaltet ist.

[0013] Vorzugsweise ist das Rippenelement durchgängig von der Vorderseitenwand bis zur Hinterseitenwand gekrümmt bzw. bogenförmig ausgestaltet.

[0014] Das bogenförmige Rippenelement besitzt hierbei bevorzugt eine stetige Krümmung. Das heißt, dass das vorliegende Rippenelement von der Vorderseitenwand bis zu der Hinterseitenwand bevorzugt stetig gekrümmt ist.

[0015] Weist das Rippenelement eine konkav ausgestaltete Längsseitenfläche auf, kann es sich gegenüber einem im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildeten Rippenelement wesentlich günstiger verformen bzw. in eine definierte Richtung durchbiegen.

[0016] Diese konkave Längsseitenfläche erstreckt sich in Längsrichtung des Rippenelements und ist zwischen der Vorder- und Hinterseitenwand aufgespannt.

[0017] Vorteilhafterweise ist diese konkave Längsseitenfläche der hinteren, spitz zulaufenden Turbinenschaufelblattkante zugewandt. Somit kann sich das Rippenelement gezielter auf eine vordere Turbinenschaufelblattkante gerichtet verformen.

[0018] Kumulativ ist es vorteilhaft, wenn das Rippenelement eine konvex ausgestaltete Längsseitenfläche aufweist. Das Rippenelement kann sich - bei ausreichender Festigkeit - nochmals verbessert verformen bzw. in eine definierte Richtung durchbiegen, wenn die der konkav ausgebildeten Längsseitenfläche gegenüberliegende Längsseitenfläche konvex ausgebildet ist.

[0019] Diese konvexe Längsseitenfläche ist bevorzugt der vorderen Turbinenschaufelblattkante zugewandt.

[0020] Bei einem derart ausgestalteten Rippenelement kann eine klar definierte Biegerichtung vorgegeben werden.

[0021] Vorteilhaft ist es, wenn dass das Rippenelement in Richtung der Rippenhöhe einen veränderlichen Rippenquerschnitt aufweist. Durch diesen veränderlichen Rippenquerschnitt gelingt es auf baulich besonders einfache Weise, dem vorliegenden Rippenelement ein nochmals verbessertes Verformungsvermögen und/oder Biegevermögen zu verleihen. Herkömmliche Rippenelemente bekannter Turbinenschaufeln haben einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wodurch diesen herkömmlichen Rippenelementen nur wesentlich schlechtere Verformungs- und/oder Biegungsvermögen innewohnen.

[0022] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Rippenelement in Richtung der Rippenhöhe tailliert ausgestaltet ist. Durch ein tailliert ausgeformtes Rippenelement kann dieses bereichsweise weniger steif ausgelegt werden.

[0023] Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Rippenelement in Richtung der Rippenhöhe eine Querschnittschwächung aufweist, welche sich in Richtung der Mittellängsachse des Turbinenschaufelblatts erhöht. Auch hierdurch können das Verformungs- und/oder Biegevermögen des insbesondere durchgängig gekrümmten Rippenelements erhöht werden.

[0024] Ist das Rippenelement an seinen Übergangsbereichen zu der Vorder- und Hinterseitenwand dicker ausgestaltet als in einem Bereich dazwischen, kann eine Querschnittschwächung des Rippenelements konstruktiv einfacher realisiert werden.

[0025] Weist das Rippenelement bezogen auf die Rippenhöhe in der Mitte die geringste Rippendicke auf, kann das Rippenelement mit besonders guten biegeelastischen Eigenschaften, kurz biegeelastischer, ausgestaltet werden. Bevorzugt ist eine diesbezügliche Mittenbreite des Rippenelements mindestens nur halb so stark wie der Übergangsbereich.

[0026] Es versteht sich, dass das vorliegende Rippenelement nahezu beliebig ausgerichtet innerhalb des Hohlraums des Turbinenschaufelblatts angeordnet sein kann. Eine besonders gute Spannungsreduzierung kann an dem Turbinenschaufelblatt jedoch erzielt werden, wenn das Rippenelement in Längserstreckung des Turbinenschaufelblatts ausgerichtet ist.

[0027] Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, mit wenigstens einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln gelöst, wobei die wenigstens eine Turbinenstufe Turbinenschaufeln nach einem der vorhergehenden Merkmale umfasst. Eine mit den erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln ausgerüstete Turbine kann wartungsärmer betrieben werden. Ferner erhöht sich hierdurch die Laufzeit der Turbine, da das Material der vorliegenden Turbinenschaufeln weniger stark belastet wird.

[0028] Vorzugsweise ist die Rippe mit dem Turbinenschaufelblatt monolith ausgeführt. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Turbinenschaufel um eine, bei der zumindest das Turbinenschaufelblatt und dessen im Inneren angeordnete Rippe im Gießverfahren hergestellt worden ist.

[0029] Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein Turbinenschaufelblatt einer an einer Heißgastrubine verbauten Turbinenschaufel dargestellt und beschrieben ist.

[0030] In der Zeichnung zeigen:

Figur 1

schematisch eine Querschnittsansicht eines Turbinenschaufelblatts einer Turbinenschaufel einer Heißgasturbine; und

Figur 2

schematisch eine teilweise geschnittene Aufsicht des Turbinenschaufelblatts aus der Figur 1.

[0031] Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Turbinenschaufel 1 einer Heißgasturbine 2 weist ein Turbinenschaufelblatt 3 mit einem Hohlprofil 4 auf. Das Hohlprofil 4 umschließt hierbei einen Hohlraum 5 der Turbinenschaufel 1 im Wesentlichen durch eine Vorderseitenwand 6 des Turbinenschaufelblatts 3 sowie durch eine Hinterseitenwand 7 des Turbinenschaufelblatts 3. Die Vorderseitenwand 6 bildet hierbei die Druckseite 8 und die Hinterseitenwand 7 dementsprechend die Saugseite 9 der Turbinenschaufel 1, da die Turbinenschaufel 1 im Betrieb der Heißgasturbine 2 in Strömungsrichtung 10 von dem Heißgas (nicht dargestellt) angeströmt wird. Es versteht sich, dass durch die Strömungsrichtung 10 die Druckseite 8 und damit auch die Vorderseitenwand 6 thermisch stärker beansprucht ist als die Saugseite 9 und damit als die Hinterseitenwand 7.

[0032] Innerhalb des Hohlraums 5 befindet sich zur Stabilisierung des Hohlprofils 4 der vorzugsweise gegossenen Turbinenschaufel einerseits und zur Unterteilung des Hohlprofils 4 andererseits ein Rippenelement 15, so dass der Hohlraum 5 in diesem Ausführungsbeispiel in zwei Hauptkühlkanäle 16 und 17 unterteilt ist.

[0033] Wie gemäß der Darstellung nach Figur 2 gut erkennbar ist, erstreckt sich das Rippenelement 15 innerhalb des Hohlprofils 4 mit seiner Rippenlänge 18 in Längsrichtung 19 des Turbinenschaufelblatts 3 von einem Bereich 20 eines hier nicht gezeigten Turbinenschaufelfuß bis zu einem Endbereich 21 einer hier ebenfalls nicht gezeigten Turbinenschaufelspitze.

[0034] Hierbei ist das Rippenelement 15 ferner diametral innerhalb des Hohlprofils 4 angeordnet, so dass das Rippelelement 15 darüber hinaus von einer Turbinenschaufelblattvorderkante 22 zu einer hinteren Turbinenschaufelblatthinterkante 23 verläuft (FIG 2).

[0035] Das Rippelelement 15 erstreckt sich des Weiteren mit seiner Rippenhöhe 25 zwischen der Vorderseitenwand 6 und der Hinterseitenwand 7, wobei das Rippenelement 15 in einem ersten Übergangsbereich 26 in die Vorderseitenwand 6 und in einem zweiten Übergangsbereich 27 in die Hinterseitenwand 7 übergeht.

[0036] Wie gemäß der Querschnittsdarstellung nach der Figur 1 weiter gut erkennbar ist, besitzt das Rippenelement 15 in diesen Übergangsbereichen 26 und 27 eine größere Breite 28 als die Mittenbreite 29 in der Mitte 30 und auf Höhe der Mittellängsachse 31 des Rippelelements 15. Mit anderen Worten, das Rippenelement 15 ist in der Mitte 30 dünner ausgestaltet als an seinen Übergangsbereichen 26 und 27. Bevorzugt weist das Rippelelement 15 dort die geringste Rippendicke auf, welche gleich der Mittenbreite 29 ist.

[0037] Insofern weist das Rippenelement 15 in Richtung 32 der Rippenhöhe 25 einen veränderlichen Rippenquerschnitt 35 auf. Dieser neue veränderliche Rippenquerschnitt 35 ist gemäß der Darstellung nach der Figur 1 durchgängig liniert dargestellt.

[0038] Allein hierdurch ist das Rippenelement 15 bzw. der Rippenquerschnitt 35 des Rippenelements 15 derart ausgestaltet, dass es insbesondere ein verbessertes Verformungsvermögen aufweist als dies bisher bei herkömmlichen rechteckig ausgestalteten Rippenquerschnitten der Fall ist. Zu besseren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Unterschieds ist der herkömmlich rechteckig ausgestalte Rippenquerschnitt zumindest teilweise noch als strich-punktierte Linie dargestellt.

[0039] Erfindungsgemäß ist das Rippenelement 15 bzw. der Rippenquerschnitt 35 des Rippenelements 15 nun derart ausgestaltet, dass die durch thermische Differenzen zwischen der Vorder- und Hinterseitenwand 6, 7 innerhalb des Rippenelements 15 hervorgerufene Spannungen mittels dieses verbesserten Verformungsvermögens des Rippenelements 15 kompensierbar sind.

[0040] Ferner ist das Rippenelement 15 in diesem Ausführungsbeispiel bogenförmig ausgestaltet, so dass dem Rippenelement 15 hierdurch verbesserte Federungseigenschaften innewohnen.

[0041] Darüber hinaus ist das Rippenelement 15 bzw. der Rippenquerschnitt 35 derart ausgestaltet, dass das Rippenelement 15 quer zu seiner Längserstreckung 36, also quer zu seiner Rippenlänge 18, ein verbessertes Biegevermögen aufweist.

[0042] Speziell kann sich das Rippenelement 15 nach seitlich in Richtung 37 auf die Turbinenschaufelblattvorderkante 22 zu biegen, wenn in Richtung 32 der Rippenhöhe 25 wirkende Kräfte auf das Rippenelement 15 wirken. Insofern ist das Rippenelement 15 bzw. dessen Rippenquerschnitt 35 derart ausgestaltet, dass sich das Rippenelement 15 durch in Richtung 32 der Rippenhöhe 25 wirkende Druckkräfte in Querrichtung 37 ausweichen kann, um hierdurch bedingte Spannungsspitzen innerhalb der Turbinenschaufel 1 zu vermeiden.

[0043] Ein herkömmliches rechteckig ausgestaltetes Rippenelement (siehe strich-punktierte Linie) würde hingegen nur gestaucht, was nachteilige Spannungszuwächse nicht nur in dem rechteckigen Rippenelement selbst sondern darüber hinaus auch in den Vorder- und Hinterseitenwänden 6 und 7 zur Folge hätte.

[0044] Das Rippenelemente 15 ist hierbei derart gekrümmt zwischen der Vorderseitenwand 6 und der Hinterseitenwand 7 angeordnet, dass eine konkav ausgestaltete Längsseitenfläche 38 der Turbinenschaufelblatthinterkante 23 zugewandt ist.

[0045] Diese konkav ausgestaltete Längsflächenseite 38 ist von der Vorderseitenwand 6 bis zu der Hinterseitenwand 7 stetig gekrümmt ausgestaltet.

[0046] Dahingegen ist eine konvex ausgestaltete Längsflächenseite 39 des Rippenelements 15 der Turbinenschaufelblattvorderkante 22 zugewandt. Dies unterstützt es, dass sich das Rippenelement 15 immer nur in Richtung der Turbinenschaufelblattvorderkante 22 verbiegen kann, wenn in Richtung 32 der Rippenhöhe 25 Kräfte auf das Rippenelement 15 einwirken.

[0047] Die konvex ausgestaltete Längsflächenseite 39 ist zwischen den Übergangsbereichen 26 und 27 stetig gekrümmt ausgestaltet.

[0048] In dem Hohlprofil 4 ist neben dem erfindungsgemäßen Rippenelement 15 im Bereich der Turbinenschaufelblatthinterkante noch ein weiteres Rippenelement 40 vorgesehen, dessen Gestalt wegen der geringen Rippenhöhe (hier nicht eingezeichnet) für die vorliegende Erfindung jedoch keine Rolle spielt.

[0049] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch dieses offenbarte Ausführungsbeispiel eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. Turbinenschaufel (1) mit einem Turbinenschaufelblatt (3), in welchem ein Hohlraum (5) ausgebildet ist, welcher von einem Rippenelement (15) unterteilt ist, dessen Rippenhöhe (25) sich von einer Vorderseitenwand (6) des Turbinenschaufelblatts zu einer Hinterseitenwand (7) des Turbinenschaufelblatts (3) erstreckt,
wobei der Rippenquerschnitt (35) des Rippenelements (15) derart ausgestaltet ist, dass die durch thermische Differenzen zwischen der Vorder- und Hinterseitenwand (6, 7) innerhalb des Rippenelements (15) hervorgerufene Spannungen mittels eines verbesserten Verformungsvermögens des Rippenelements (15) kompensierbar sind.

2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
wobei der Rippenquerschnitt (35) derart ausgestaltet ist, dass das Rippenelement (15) quer zu seiner Längserstreckung (36) ein verbessertes Biegevermögen aufweist.

3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Rippenelement (15) in Richtung (32) der Rippenhöhe (25) zumindest teilweise bogenförmig ausgestaltet ist.

4. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Rippenelement (15) über die gesamte Rippenhöhe (25) gekrümmt ausgestaltet ist.

5. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das Rippenelement (15) eine konkav ausgestaltete Längsseitenfläche (38) aufweist.

6. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei das Rippenelement (15) eine konvex ausgestaltete Längsseitenfläche (39) aufweist.

7. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei das Rippenelement (15) in Richtung (32) der Rippenhöhe (25) einen veränderlichen Rippenquerschnitt (35) aufweist.

8. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei das Rippenelement (15) in Richtung (32) der Rippenhöhe (25) eine Querschnittschwächung aufweist, welche sich in Richtung der Mittellängsachse (31) des Turbinenschaufelblatts (3) erhöht.

9. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei das Rippenelement (15) an seinen Übergangsbereichen (26, 27) zu der Vorder- und Hinterseitenwand (6, 7) dicker ausgestaltet ist als in einem dazwischen liegenden Mittenbereich (29) des Rippenelements (15).

10. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei das Rippenelement (15) bezogen auf die Rippenhöhe (25) in der Mitte (30) die geringste Rippendicke aufweist.

11. Turbinenschaufel (1) nach einer der Ansprüche 1 bis 10,
wobei das Rippenelement (15) in Längsrichtung (19) des Turbinenschaufelblatts (3) ausgerichtet ist.

12. Turbine (2), insbesondere Gasturbine, mit wenigstens einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln (1),
wobei die wenigstens eine Turbinenstufe Turbinenschaufeln (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.

Zeichnung