Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit einem Schaufelfuß und einem oberhalb des Schaufelfußes angeordneten, aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt eine druckseitige Schaufelwand und eine saugseitige Schaufelwand aufweist, die sich gemeinsam von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante des Schaufelblattes zu einer Hinterkante des Schaufelblattes erstrecken, wobei an der druckseitigen Schaufelwand eine Vielzahl von Kühlluftaustrittsöffnungen ausgebildet ist, die sich jeweils ausgehend von der Hinterkante bezogen auf die Strömungsrichtung eines das Schaufelblatt umströmenden Arbeitsmediums stromaufwärts erstrecken und durch die durch das Innere des Schaufelblattes geleitete Kühlluft austreten kann, wobei zumindest eine der Kühlluftaustrittsöffnungen eine im Wesentlichen rechteckige oder trapezförmige Form mit abgerundeten Ecken aufweist, die sich in Austrittsrichtung der Kühlluft bevorzugt aufweitet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten einer solchen Turbinenschaufel. Turbinenschaufeln der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Während des Betriebs sind sie hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, weshalb ihre Schaufelblätter zur Erhöhung der Lebensdauer gekühlt werden. Hierzu wird Kühlluft durch den Schaufelfuß in das Schaufelblatt eingeleitet, das durch die an der druckseitigen Schaufelwand im Bereich der Hinterkante vorgesehenen Kühlluftaustrittöffnungen im Wesentlichen axial in den Strömungskanal des Arbeitsmediums austritt. Die Kühlluftaustrittsöffnungen weisen eine im Wesentlichen trapezförmige und/oder rechteckige Form auf, die sich in Austrittsrichtung der Kühlluft aufweitet, und werden häufig auch als Cut-Back- -Öffnungen bezeichnet. Ein Problem besteht zum einen darin, dass durch das Vorsehen solcher KühlluftaustrittsÖffnungen geometrische Spannungen in das Schaufelblatt induziert werden. Zum anderen ist die durch die Kühlluft hervorgerufene Kühlung im Bereich der Kühlluftaustrittsöffnungen nicht gleichmäßig, was thermisch bedingte Spannungen nach sich zieht. Diese geometrischen und thermischen Spannungen können lebensdauerbegrenzend für die Turbinenschaufel sein und führen dazu, dass Turbinenschaufeln im Rahmen von Wartungsarbeiten häufig ausgetauscht werden müssen. Der Versuch, den negativen Auswirkungen der Spannungen durch Versteifungen des Schaufelblatts im Bereich der Kühlluftaustrittsöffnungen zu begegnen, blieb erfolglos. Im Ergebnis wurde entweder ein erweitertes Risiko zugelassen oder die Turbinenschaufeln haben eine Restriktion bezüglich ihrer Einsatzdauer erhalten.

Die EP 1 555 390 A1 offenbart eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit einem Schaufelfuß und einem oberhalb des Schaufelfußes angeordneten, aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt eine druckseitige Schaufelwand und eine saugseitige Schaufelwand aufweist, die sich gemeinsam von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante des Schaufelblattes zu einer Hinterkante des Schaufelblattes erstrecken, wobei an der druckseitigen Schaufelwand eine Vielzahl von Kühlluftaustrittsöffnungen ausgebildet ist, die sich jeweils ausgehend von der Hinterkante bezogen auf die Strömungsrichtung eines das Schaufelblatt umströmenden Arbeitsmediums stromaufwärts erstrecken und durch die durch das Innere des Schaufelblattes geleitete Kühlluft austreten kann, wobei zumindest eine der Kühlluftaustrittsöffnungen eine im Wesentlichen rechteckige oder trapezförmige Form mit abgerundeten Ecken aufweist, die sich in Austrittsrichtung der Kühlluft bevorzugt aufweitet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Turbinenschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit einem Schaufelfuß und einem oberhalb des Schaufelfußes angeordneten, aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt eine druckseitige Schaufelwand und eine saugseitige Schaufelwand aufweist, die sich gemeinsam von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante des Schaufelblattes zu einer Hinterkante des Schaufelblattes erstrecken, wobei an der druckseitigen Schaufelwand eine Vielzahl von Kühlluftaustrittsöffnungen ausgebildet ist, die sich jeweils ausgehend von der Hinterkante bezogen auf die Strömungsrichtung eines das Schaufelblatt umströmenden Arbeitsmediums stromaufwärts erstrecken und durch die durch das Innere des Schaufelblattes geleitete Kühlluft austreten kann, wobei zumindest eine der Kühlluftaustrittsöffnungen eine im Wesentlichen rechteckige oder trapezförmige Form mit abgerundeten Ecken aufweist, die sich in Austrittsrichtung der Kühlluft bevorzugt aufweitet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zur Vorderkante weisende untere Ecke dieser zumindest einen Kühlluftaustrittsöffnung eine auswärts von der rechteckigen Form vorstehende Entlastungskerbe mit abgerundetem Kerbgrund bildet. Während der Turbinenschaufelentwicklung hat sich herausgestellt, dass die hohen Spannungen im Bereich der Kühlluftaustrittsöffnungen in erster Linie thermisch nur zu geringen Anteilen geometrisch bedingt sind. Vor diesem Hintergrund wurde die Geometrie zumindest der beanspruchtesten Kühlluftaustrittsöffnung dahingehend überarbeitet, dass eine Entlastungskerbe mit abgerundetem Kerbgrund in der unteren, zur Vorderkante weisenden Ecke ergänzt wurde. Auch wenn diese Entlastungskerbe die Steifigkeit der Turbinenschaufel im Bereich der entsprechenden Kühlluftaustrittsöffnung deutlich herabsetzt, unterstützt sie die thermische Dehnung des Schaufelblattes, wodurch die Spannungen innerhalb der Turbinenschaufel insgesamt deutlich reduziert werden, was eine spürbare Erhöhung der Lebensdauer zur Folge hat. Dieser positive Effekt konnte auch im Rahmen von 3D Finite Elemente Analysen nachgewiesen werden.

Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung setzt die Entlastungskerbe die Linie einer unteren Kante der Kühlaustrittsöffnung fort, wobei der oberhalb der unteren Kante der Kühlaustrittsöffnung angeordnete Kerbgrund in Richtung der Vorderkante des Schaufelblattes weist. Bei dieser Variante kann das Schaufelblatt im Bereich der Kühlluftaustrittsöffnung gießtechnisch ohne Hinterschnitt hergestellt werden, was grundsätzlich wünschenswert ist.

Gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Entlastungskerbe ausgehend von der unteren Kante der Kühlaustrittsöffnung im stumpfen Winkel schräg abwärts, wobei der unterhalb der unteren Kante der Kühlaustrittsöffnung angeordnete Kerbgrund in Richtung des Schaufelfußes weist. Diese Variante ist spannungstechnisch von Vorteil. Allerdings lässt sie sich gießtechnisch nicht ohne störende Hinterschnitte fertigen.

Bevorzugt weitet sich die Entlastungskerbe ausgehend von ihrem Kerbgrund kelchartig auf, wodurch eine besonders gute thermische Dehnfähigkeit des Schaufelblattes im Bereich der Kühlluftaustrittsöffnung erzielt wird.

Vorteilhaft handelt es sich bei der zumindest einen Kühlluftaustrittsöffnung um die unterste Kühlluftaustrittsöffnung, da dort die größten thermischen Spannungen auftreten.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfuß und einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt eine druckseitige Schaufelwand und eine saugseitige Schaufelwand aufweist, die sich gemeinsam von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante des Schaufelblattes zu einer Hinterkante des Schaufelblattes erstrecken, wobei an der druckseitigen Schaufelwand eine Vielzahl von Kühlluftaustrittsöffnungen ausgebildet ist, die sich jeweils ausgehend von der Hinterkante bezogen auf die Richtung eines das Schaufelblatt umströmende Arbeitsmediums stromaufwärts erstrecken und durch die ein durch das Innere des Schaufelblattes geleitete Kühlluft austreten kann, und wobei eine der Kühlluftaustrittsöffnungen eine im Wesentlichen rechteckige oder trapezförmige Form mit abgerundeten Ecken aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest die zur Vorderkante weisende untere Ecke dieser zumindest einen Kühlluftaustrittsöffnung eine auswärts von der rechteckigen Form vorstehende Entlastungskerbe mit abgerundetem Kerbgrund ausgebildet wird, um eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel herzustellen.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

• Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Turbinenschaufel;
• Figur 2 eine vergrößerte Ansicht des in Figur 1 mit der Bezugsziffer II gekennzeichneten Ausschnitts, der eine Kühlluftaustrittsöffnung mit bekanntem Design zeigt;
• Figur 3 eine perspektivische Ansicht der in Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel nach Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Figur 4 eine vergrößerte Ansicht des in Figur 3 mit der Bezugsziffer IV gekennzeichneten Ausschnitts, der eine Kühlluftaustrittsöffnung mit einer Entlastungskerbe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Figur 5 eine perspektivische Ansicht der in Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel nach Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
• Figur 6 eine vergrößerte Ansicht des in Figur 5 mit der Bezugsziffer VI gekennzeichneten Ausschnitts, der eine Kühlluftaustrittsöffnung mit einer Entlastungskerbe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Gleiche Bezugsziffern bezeichnen nachfolgend gleichartige Bauteile oder Bauteilbereiche.

Figur 1 zeigt eine bekannte Turbinenschaufel 1 für eine Gasturbine, bei der es sich vorliegend um eine Laufschaufel handelt. Die Turbinenschaufel 1 umfasst einen Schaufelfuß 2 und ein oberhalb des Schaufelfußes 2 angeordnetes, aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 3. Das Schaufelblatt 3 weist eine druckseitige Schaufelwand 4 und eine saugseitige Schaufelwand 5 auf, die sich gemeinsam von einer von einem Arbeitsmedium in Richtung des Pfeils 6 anströmbaren Vorderkante 7 des Schaufelblattes 3 zu einer Hinterkante 8 des Schaufelblattes 3 erstrecken. An der druckseitigen Schaufelwand 4 sind entlang der Hinterkante 8 eine Reihe von Kühlluftaustrittsöffnungen 9 vorgesehen, die vorliegend als so genannte Cut-Back-Öffnungen ausgebildet sind. Die Kühlluftaustrittsöffnungen 9 erstrecken sich jeweils ausgehend von der Hinterkante 8 bezogen auf die Strömungsrichtung des das Schaufelblatt 3 umströmenden Arbeitsmediums stromaufwärts und dienen dazu, durch im Inneren des Schaufelblattes 3 vorhandene, vorliegend nicht näher dargestellte Kühlkanäle geleitete Kühlluft im Wesentlichen axial in einen Strömungskanal des Arbeitsmediums auszulassen. Die Kühlluftaustrittsöffnungen 9 weisen eine im Wesentlichen rechteckige oder trapezförmige Form mit abgerundeten Ecken 10 auf, die sich vorliegend jeweils in Austrittsrichtung der Kühlluft aufweitet. In Figur 1 werden die Formen der untersten Kühlluftaustrittsöffnung 9 sowie der obersten drei Kühlluftaustrittsöffnungen 9 als eher rechteckig angesehen, auch wenn sie sich leicht in Austrittsrichtung der Kühlluft aufweiten, während alle übrigen Kühlluftaustrittsöffnungen 9 eher trapezförmig ausgebildet sind.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der untersten Kühlluftaustrittsöffnung 9, die sich dadurch auszeichnet, dass in ihrem Bereich die thermischen Spannungen während des Betriebs der Turbinenschaufel 1 besonders hoch bzw. am höchsten sind.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Turbinenschaufel 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ausgehend von der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Turbinenschaufel 1 hergestellt wurde.

Die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Turbinenschaufel 1 unterscheidet sich von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Turbinenschaufel 1 nur hinsichtlich der Ausgestaltung der untersten Kühlluftaustrittsöffnung 9, wie es anhand eines Vergleichs der Figuren 2 und 4 ersichtlich ist. Ausgehend von der in Figur 2 dargestellten Kühlluftaustrittsöffnung 9 wurde die zur Vorderkante weisende untere Ecke 10 der in Figur 4 gezeigten Kühlluftaustrittsöffnung 9 mit einer auswärts von der rechteckigen Form vorstehenden Entlastungskerbe 11 mit abgerundetem Kerbgrund 12 versehen. Die Entlastungskerbe 11 setzt vorliegend die Linie der unteren Kante 13 der Kühlaustrittsöffnung 9 fort, wobei der oberhalb der unteren Kante 13 der Kühlaustrittsöffnung 9 angeordnete Kerbgrund 12 in Richtung der Vorderkante 7 des Schaufelblattes 3 weist. Eine solche Entlastungskerbe 11 kann beispielsweise unter Verwendung eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens in die in Figur 2 dargestellte Kühlluftaustrittsöffnung 9 eingebracht werden. Sie führt dazu, dass thermische Spannungen im Bereich der Kühlluftaustrittsöffnung 9 während des Betriebs der Turbinenschaufel 1 deutlich reduziert werden, was eine spürbare Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenschaufel 1 nach sich zieht.

Es sei darauf hingewiesen, dass es alternativ natürlich auch möglich ist, die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Turbinenschaufel 1 im Rahmen einer Neuherstellung zu fertigen. So kann die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Turbinenschaufel 1 beispielsweise gegossen und bei Bedarf thermisch und/oder mechanisch nachbearbeitet werden. Für die gießtechnische Herstellung eignet sich die in Figur 4 dargestellte Kühlluftaustrittsöffnung 9 besonders gut, da die die Entlastungskerbe 11 keine hinterschnittenen Bereiche erzeugt, welche die Geometrie des oder der Gießkerne unnötig kompliziert gestalten würden.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Turbinenschaufel 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ausgehend von der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Turbinenschaufel 1 hergestellt wurde.

Die in den Figuren 5 und 6 gezeigte Turbinenschaufel 1 unterscheidet sich von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Turbinenschaufel 1 nur hinsichtlich der Ausgestaltung der untersten Kühlluftaustrittsöffnung 9, wie es anhand eines Vergleichs der Figuren 2 und 6 ersichtlich ist. Ausgehend von der in Figur 2 dargestellten Kühlluftaustrittsöffnung 9 wurde die zur Vorderkante 7 weisende untere Ecke 10 der in Figur 6 gezeigten Kühlluftaustrittsöffnung 9 mit einer auswärts von der rechteckigen Form vorstehenden Entlastungskerbe 11 mit abgerundetem Kerbgrund 12 versehen. Die Entlastungskerbe 11 erstreckt sich ausgehend von der unteren Kante 13 der Kühlaustrittsöffnung 9 im stumpfen Winkel schräg abwärts. Der unterhalb der unteren Kante 13 der Kühlaustrittsöffnung 9 angeordnete Kerbgrund 12 weist in Richtung des Schaufelfußes 2, wobei sich die Entlastungskerbe 11 ausgehend von ihrem Kerbgrund 12 kelchartig aufweitet.

Auch die in Figur 6 gezeigte Entlastungskerbe 11 kann beispielsweise unter Verwendung eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens in die in Figur 2 dargestellte Kühlluftaustrittsöffnung 9 eingebracht werden. Sie führt dazu, dass thermische Spannungen im Bereich der Kühlluftaustrittsöffnung 9 während des Betriebs der Turbinenschaufel 1 deutlich reduziert werden, was eine spürbare Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenschaufel 1 nach sich zieht. In Bezug auf die Spannungsreduzierung ist die Form der in Figur 6 dargestellten Kühlluftaustrittsöffnung 9 bzw. ihrer Entlastungskerbe 11 günstiger als die in Figur 4 gezeigte Form. Allerdings hat sie Hinterschneidungen, die sich gießtechnisch nur mit erhöhtem Aufwand realisieren lassen, wenn die in den Figuren 5 und 6 dargestellte Turbinenschaufel 1 im Rahmen einer Neuherstellung realisiert wird.

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.

Insbesondere können auch weitere Kühlluftaustrittsöffnungen 9 und/oder andere als die unterste Kühlluftaustrittsöffnung 9 mit einer Entlastungskerbe 11 versehen sein bzw. versehen werden. Die vorliegende Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche 1 bis 6 definiert.