Laufschaufel für eine Gasturbine, zugehöriger Rotor, Gasturbine und Kraftwerksanlage

Abstract

 Eine Laufschaufel (1) für eine Gasturbine (100), umfassend eine druckseitige Wand (2) und eine saugseitige Wand (4), eine Spitzenkappe (6), einen Hohlraum (18), der durch die innere Oberfläche (20, 22, 24) der druckseitigen Wand (2), der saugseitigen Wand (4) und der Spitzenkappe (6) gebildet wird, und einer Anstreifkante (8), die sich radial von der druckseitigen und saugseitigen Wand (2, 4) erstreckt, einem Halbraum (10), der durch die äußere Oberfläche der Spitzenkappe (6) und der Anstreifkante (8) gebildet wird, und einem Kühlkanal (12), der vom Hohlraum (18) zur Außenseite der Anstreifkante (6) führt, soll eine noch bessere Kühlung der Anstreifkante bei gleichzeitig hoher Stabilität und Lebensdauer aufweisen. Dazu weist die Spitzenkappe (4) eine Aushöhlung auf, die sich derart vom Halbraum (9) in die Spitzenkappe (6) erstreckt, dass die Aushöhlung (16) den Kühlkanal (12) in einen mit dem Hohlraum (18) kommunizierenden ersten Teil (28) und einen mit dem Außenraum (14) kommunizierenden zweiten Teil (30) unterteilt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend eine druckseitige Wand und eine saugseitige Wand, eine Spitzenkappe, einen Hohlraum, der durch die innere Oberfläche der druckseitigen Wand, der saugseitigen Wand und der Spitzenkappe gebildet wird, und einer Anstreifkante, die sich radial von der druckseitigen und saugseitigen Wand erstreckt, einem Halbraum, der durch die äußere Oberfläche der Spitzenkappe und der Anstreifkante gebildet wird, und einem Kühlkanal, der vom Hohlraum zur Anstreifkante führt.

[0002] Laufschaufeln der oben genannten Art dienen in Gasturbinen zur Umwandlung der Energie eines heißen Gasstroms in rotatorische Energie. Sie weisen typischerweise ein von einem oder mehreren Hohlräumen zur Führung von Kühlluft durchzogenes Schaufelblatt auf, das eine druckseitige und eine saugseitige Wand aufweist und an seiner Spitze durch eine Spitzenkappe abgeschlossen ist. Auf der Spitzenkappe ist häufig eine umlaufende, in radialer Richtung (bezogen auf die Achse der Gasturbine) erstreckte Anstreifkante vorgesehen, die die druckseitige und saugseitige Wand in radialer Richtung verlängert.

[0003] Turbinenlaufschaufeln werden derzeit gusstechnisch aus einem Stück und einem Werkstoff hergestellt. Sie werden im Betrieb in der Regel gekühlt, um das Material der Schaufeln vor den hohen Gastemperaturen zu schützen und dessen Oxidation zu verhindern. Eine bewährte und erfolgreiche Kühlkonstruktion für Turbinenschaufeln ist die Innenkühlung. Dabei strömt ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid - in der Regel Luft, die von dem Verdichter der Turbine entnommen wird - in den oben beschriebenen Hohlräumen.

[0004] Problematisch ist hierbei, dass die beschriebene Anstreifkante verhältnismäßig dünne Wände aufweist und relativ weit von der Kühlluft im Inneren der Schaufel entfernt ist. Aus diesem Grund ist sie besonders anfällig für die hohen Temperaturen des Gasstromes. Um die Kühlung des Spitzenbereichs sicherzustellen, führen Kühlkanäle vom Hohlraum innerhalb der Schaufel durch die Spitzenkappe bis zur Außenseite der Anstreifkante. Kühlfluid tritt durch diese Kühlkanäle aus und kühlt so die Anstreifkante. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der EP 1 057 970 B1 bekannt.

[0005] Aus der EP 1 267 041 B1 ist weiterhin bekannt, in die Innenseite, d. h. die dem Halbraum zugewandte Seite der Anstreifkante eine Aushöhlung einzubringen, die den Kühlkanal unterbricht. Dies verbessert zwar die Kühlwirkung. Nachteilig ist dabei aber, dass hierdurch die Stabilität der Anstreifkante reduziert wird. Dies begrenzt die mögliche Länge der Aushöhlung.

[0006] Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, eine Laufschaufel der eingangs genannten Art anzugeben, welche eine noch bessere Kühlung der Anstreifkante bei gleichzeitig hoher Stabilität und Lebensdauer aufweist.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spitzenkappe eine Aushöhlung aufweist, die sich derart vom Halbraum in die Spitzenkappe erstreckt, dass die Aushöhlung den Kühlkanal in einen mit dem Hohlraum kommunizierenden ersten Teil und einen mit dem Außenraum kommunizierenden zweiten Teil unterteilt.

[0008] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine noch höhere Lebensdauer der Laufschaufel erreichbar ist, wenn zwar eine den Kühlkanal unterbrechende Aushöhlung vorgesehen ist, diese jedoch nicht die Stabilität der Anstreifkante mindert. Dazu ist die Aushöhlung in radialer Richtung in die Spitzenkappe hinein erstreckt und mindert somit nicht die Dicke der Anstreifkante. Die Aushöhlung reicht bis in die Kühlkanäle hinein, die sich vom Hohlraum innerhalb der Schaufel bis zur Außenseite der Anstreifkante erstrecken, so dass diese Kühlkanäle in einen ersten und einen zweiten Teil unterteilt werden.

[0009] Dabei weist der erste Teil vorteilhafterweise eine Austrittsöffnung in der Aushöhlung auf und/oder der zweite Teil vorteilhafterweise eine Austrittsöffnung an der Außenseite der Anstreifkante auf. Der Kühlfluidstrom aus dem Hohlraum in der Laufschaufel tritt somit zunächst in die Aushöhlung ein und kühlt somit dort die Innenseite im Halbraum. Die Kühleffektivität ist hier sehr gut. Erst dann strömt er weiter durch den zweiten Teil zur Außenseite der Anstreifkante. Durch die im Betrieb vorherrschenden Druckdifferenzen ist hierbei auch keine Umkehrung des Stromes zu befürchten, d. h. kein Heißgas tritt durch den zweiten Teil in den Halbraum.

[0010] In vorteilhafter Ausgestaltung der Laufschaufel ist der Kühlkanal linear ausgebildet. Dies gilt für den gesamten Kühlkanal, d. h. erster und zweiter Teil liegen auf einer gemeinsamen Geraden. Dies ermöglicht einerseits ein besseres Durchströmen des Kühlfluids aus dem ersten in den zweiten Teil des Kühlkanals. Zum anderen ermöglicht dies aber ein besonders einfaches Einbringen des Kühlkanals, und zwar sowohl des ersten als auch des zweiten Teils in einem Stück, vorzugsweise durch Laserbohren. Der Laser wird an der Außenseite der Anstreifkante angesetzt und bohrt durch die Aushöhlung bis in den Hohlraum im Inneren der Laufschaufel.

[0011] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Laufschaufel erstreckt sich die Aushöhlung in der Art einer Nut entlang der druckseitigen Wand oder entlang der saugseitigen Wand der Laufschaufel. Hierdurch wird eine besonders homogene Kühlung erreicht, da sich das Kühlfluid aus dem Kühlkanal entlang der Nutlänge ausbreiten und gleichmäßig die Anstreifkante kühlen kann. Besonders vorteilhaft bezüglich der Druckverhältnisse ist eine Erstreckung entlang der saugseitigen Wand.

[0012] Dabei geht vorteilhafterweise eine Seitenwand der Aushöhlung gerade in die Innenseite der druckseitigen oder saugseitigen Wand über. Dies ermöglicht einerseits eine besonders einfache Gussform, andererseits wird dadurch die Kühlwirkung des Kühlfluids in der Aushöhlung oder Nut auf die Anstreifkante noch weiter verbessert.

[0013] Die Laufschaufel weist in vorteilhafter Ausgestaltung mehrere Kühlkanäle auf, die vom Hohlraum zur Außenseite der Anstreifkante führen, und die Aushöhlung unterteilt die mehreren Kühlkanäle in jeweils einen mit dem Hohlraum kommunizierenden ersten Teil und jeweils einen mit dem Außenraum kommunizierenden zweiten Teil. Die Kühlkanäle sind dabei gleichartig aufgebaut. Durch mehrere Kühlkanäle dieser Art wird die Kühlwirkung noch weiter verbessert.

[0014] Ein Rotor für eine Gasturbine umfasst vorteilhafterweise eine derartige Laufschaufel.

[0015] Eine Gasturbine umfasst vorteilhafterweise einen derartigen Rotor.

[0016] Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine derartige Gasturbine.

[0017] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Einbringung einer radialen Aushöhlung in die Spitzenkappe, die die Kühlkanäle zur Außenseite der Anstreifkante unterteilt, eine besonders gute Kühlwirkung bei gleichzeitig hoher Stabilität der Anstreifkante erreicht wird. Die Aushöhlung sorgt für eine Sicherstellung des Kühlfluidaustritts trotz eventueller Gussabweichungen bei der Herstellung der Laufschaufel. Zudem erfährt das Kühlfluid weniger Druckverluste. Die Lebensdauer wird zudem dadurch erhöht, dass in den Halbraum austretende Kühlkanäle in die Aushöhlung münden und dadurch noch besser vor äußerem Heißgas geschützt sind.

[0018] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

eine Aufsicht auf die Spitze einer Laufschaufel aus radialer Richtung in einer ersten Ausführungsform,

FIG 2

einen Querschnitt entlang der Linie I-I des Spitzenbereichs der Laufschaufel aus FIG 1,

FIG 3

einen Querschnitt des Spitzenbereichs der Laufschaufel in einer zweiten Ausführungsform, und

FIG 4

einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbine.

[0019] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0020] FIG 1 zeigt eine Aufsicht aus radial äußerer Richtung auf eine Laufschaufel 1. Diese weist eine einer druckseitige Wand 2, eine saugseitigen Wand 4 und eine Spitzenkappe 6 am radialen Ende der Laufschaufel 1 auf. Innerhalb der Laufschaufel 1 bilden die innere Oberfläche der Spitzenkappe 4 und die inneren Oberflächen der druckseitigen und der saugseitigen Wand 2, 4 einen hier nicht dargestellten Hohlraum. Ein Kühlfluid - in der Regel Luft, die vom Verdichter der Turbine entnommen wird - zirkuliert innerhalb des Hohlraums und kühlt die druck- und saugseitige Wand 2, 4 von innen durch Konvektion.

[0021] Die FIG 1 zeigt insbesondere den Spitzenbereich der Laufschaufel 1, die eine Anstreifkante 8 umfasst und den Spitzenbereich der Schaufel vor Schäden im Falle einer Berührung mit dem Gehäuse der Gasturbine schützt. Die Anstreifkante 8 erstreckt sich radial von der druck- und saugseitigen Wand 2, 4 in umlaufend gleicher Höhe. Die Anstreifkante 8 bildet zusammen mit der Spitzenkappe 8 einen Halbraum 10.

[0022] Mehrere Kühlkanäle 12 erstrecken sich von dem Hohlraum innerhalb der Laufschaufel durch die Anstreifkante 8 bis zu deren dem Außenraum 14 zugewandter Seite. Dies ist in FIG 1 nicht ersichtlich und wird noch anhand von FIG 2 klarer. Das Kühlfluid strömt durch diese Kühlkanäle 12 und kühlt die Anstreifkante 8 durch Kühlung von innen. Das Kühlfluid tritt dann aus den Kühlkanälen 12 durch die Austrittsöffnungen an der Außenseite, kühlt die Anstreifkante 8, indem es sie außen umströmt, und vermischt sich schließlich mit dem Leckstrom der Gasturbine.

[0023] In die Spitzenkappe 6 ist eine Aushöhlung 16 eingebracht, die sich in radialer Richtung nach innen erstreckt und nutartig parallel zur saugseitigen Wand 4 erstreckt ist. Die Aushöhlung 16 unterteilt die Kühlkanäle 12 in der Nähe der saugseitigen Wand 4. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf FIG 2 erläutert.

[0024] FIG 2 zeigt den Querschnitt entlang der Linie I-I des Spitzenbereichs der Laufschaufel 1 mit der druckseitigen Wand 2 und der saugseitigen Wand 4. Hier erkennbar wird der Hohlraum 18 in der Laufschaufel 1 durch die inneren Oberflächen 20, 22 der druck- beziehungsweise der saugseitigen Wand 2, 4 sowie der inneren Oberfläche 24 der Spitzenkappe 6 gebildet. Ein Kühlkanal 12 erstreckt sich wie beschrieben vom Hohlraum 18 bis zur Außenseite der Anstreifkante 8. Er ist vollkommen linear ausgebildet und mittels Laserbohren eingebracht. Der Kühlkanal 12 wird durch die Aushöhlung 16 unterbrochen in einen ersten Teil 28, der sich von dem Hohlraum 16 zu einer Austrittsöffnung 32 in der Aushöhlung 16 erstreckt, und in einen zweiten Teil 30, der sich von der Aushöhlung 16 zur Austrittsöffnung 34 auf der Außenseite der Anstreifkante 8 erstreckt.

[0025] Alle in FIG 1 gezeigten Kühlkanäle 12 sind identisch ausgebildet und münden somit in die Aushöhlung 16. Die Aushöhlung 16 ist hier mit einer gerundeten oder gebogenen Seitenwand ausgebildet, die am zweckmäßigsten durch Guss hergestellt wird.

[0026] Die zweite Ausführungsform gemäß FIG 3, die nur anhand ihrer Unterschiede zu FIG 2 erläutert wird, zeigt eine rechteckige Aushöhlung 16, die am wirtschaftlichsten durch eine spanabhebende Formgebung hergestellt wird. Beide Formen sind vom Standpunkt des Kühlfluidstroms und der Wirksamkeit der Kühlung geeignet. In der Ausführungsform der FIG 3 geht zudem eine Seitenwand 36 der Aushöhlung 16 gerade in die Innenseite 38 der Anstreifkante 8 an der saugseitigen Wand 4 über.

[0027] Die FIG 4 zeigt schließlich eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Eine Turbine ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie (Enthalpie) eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in Rotationsenergie und letztlich in mechanische Antriebsenergie umwandelt.

[0028] Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.

[0029] Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 1 gebildete Reihe 125. Die Schaufeln 120, 130 sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche.

[0030] Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Laufschaufeln 1 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).

[0031] Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 1.

[0032] Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln 1, 130 ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln 1 der Turbine 108 übergeht. Über diese wird dann der Rotor 103 in Drehung versetzt, wodurch zunächst der Verdichter 105 angetrieben wird. Die nutzbare Leistung wird an die nicht dargestellte Arbeitsmaschine abgegeben.

[0033] Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 1 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Die hohen Belastungen machen höchstbelastbare Werkstoffe erforderlich. Die Turbinenschaufeln 1, 130 werden daher aus Titan-Legierungen, Nickel-Superlegierung oder Wolfram-Molybdän-Legierungen gefertigt. Die Schaufeln werden für höhere Resistenz gegen Temperaturen so wie Erosion wie zum Beispiel Lochfraß, auch bekannt unter "pitting corrosion", durch Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht, beispielsweise ZrO2, Y2O4-ZrO2) geschützt. Die Beschichtung zur Hitzeabschirmung wird Thermal Barrier Coating bzw. kurz TBC genannt. Weitere Maßnahmen, um die Schaufeln hitzeresistenter zu machen, bestehen in ausgeklügelten Kühlkanalsystemen. Diese Technik wird sowohl in den Leit- als auch in den Laufschaufeln 1, 130 angewendet.

[0034] Jede Leitschaufel 130 weist einen auch als Plattform bezeichneten, dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Dichtring 140 des Stators 143 festgelegt. Jeder Dichtring 140 umschließt dabei die Welle des Rotors 103. Ebenso weist jede Laufschaufel 1 einen derartigen Laufschaufelfuß auf, endet jedoch in einer Laufschaufelspitze. Diese ist gemäß einer in den FIG 1 bis FIG 3 gezeigten Ausführungsform ausgestaltet.

Ansprüche

1. Laufschaufel (1) für eine Gasturbine (100),
umfassend eine druckseitige Wand (2) und eine saugseitige Wand (4), eine Spitzenkappe (6), einen Hohlraum (18), der durch die innere Oberfläche (20, 22, 24) der druckseitigen Wand (2), der saugseitigen Wand (4) und der Spitzenkappe (6) gebildet wird, und einer Anstreifkante (8), die sich radial von der druckseitigen und saugseitigen Wand (2, 4) erstreckt, einem Halbraum (10), der durch die äußere Oberfläche der Spitzenkappe (6) und der Anstreifkante (8) gebildet wird, und einem Kühlkanal (12), der vom Hohlraum (18) zur Außenseite der Anstreifkante (6) führt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spitzenkappe (4) eine Aushöhlung aufweist, die sich derart vom Halbraum (9) in die Spitzenkappe (6) erstreckt, dass die Aushöhlung (16) den Kühlkanal (12) in einen mit dem Hohlraum (18) kommunizierenden ersten Teil (28) und einen mit dem Außenraum (14) kommunizierenden zweiten Teil (30) unterteilt.

2. Laufschaufel (1) nach Anspruch 1,
bei der der erste Teil (28) eine Austrittsöffnung (32) in der Aushöhlung (16) aufweist.

3. Laufschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der zweite Teil (30) eine Austrittsöffnung (34) an der Außenseite der Anstreifkante (8) aufweist.

4. Laufschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der Kühlkanal (12) linear ausgebildet ist.

5. Laufschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Aushöhlung (16) sich in der Art einer Nut entlang der druckseitigen Wand (2) oder entlang der saugseitigen Wand (4) der Laufschaufel (1) erstreckt.

6. Laufschaufel (1) nach Anspruch 5,
bei der eine Seitenwand (36) der Aushöhlung (16) gerade in die Innenseite (38) der Anstreifkante (8) übergeht.

7. Laufschaufel (1) nach Anspruch 5 oder 6,
die mehrere Kühlkanäle (12) aufweist, die vom Hohlraum (18) zur Außenseite der Anstreifkante (8) führen, und
bei der die Aushöhlung (16) die mehreren Kühlkanäle (12) in jeweils einen mit dem Hohlraum (18) kommunizierenden ersten Teil (28) und jeweils einen mit dem Außenraum (14) kommunizierenden zweiten Teil (30) unterteilt.

8. Rotor (103) für eine Gasturbine (100),
umfassend eine Laufschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Gasturbine (100) mit einem Rotor (103) nach Anspruch 8.

10. Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine (100) nach Anspruch 9.

Zeichnung