[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend
ein sich in einer radialen Richtung erstreckendes Schaufelblatt mit einem Schaufelblattkörper,
der eine Umfangswandung mit einem druckseitigen Wandabschnitt und einem saugseitigen
Wandabschnitt, einen im Bereich der Schaufelspitze mit der Umfangswandung verbundenen
plattenförmigen Kronenboden und eine sich entlang der Umfangswandung erstreckende
Anstreifkante aufweist, wobei die Umfangswandung und der Kronenboden in dem Schaufelblattkörper
einen Hohlraum definieren, die Anstreifkante außenseitig mit der Umfangswandung fluchtet
und radial über den Kronenboden vorsteht und in dem Schaufelblattkörper Kühlkanäle
ausgebildet sind, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu in der Anstreifkante vorgesehenen
Kühlfluidaustrittsöffnungen erstrecken.
[0002] In einer Gasturbinenanlage wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines
durch Verbrennung eines Brennstoffs erzeugten Heißgases in Rotationsenergie umgewandelt,
die meist mittels eines Generators in elektrische Energie konvertiert wird. Dazu besitzt
die Gasturbinenanlage einen Strömungskanal, in dessen axialer Richtung ein Turbinenläufer
drehbar gelagert ist. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Radscheiben, an deren radial
äußeren Stirnflächen jeweils eine Mehrzahl von Laufschaufeln in Form eines Schaufelkranzes
angeordnet sind. Die Laufschaufeln weisen hierzu jeweils Schaufelfüße auf, die in
eine oder mehrere an den Stirnflächen der Radscheiben ausgebildete Aufnahmenuten eingesetzt
und darin festgelegt sind.
[0003] An der Oberseite der Schaufelfüße sind Schaufelplattformen ausgebildet, von deren
von der Radscheibe weg weisenden Außenseiten Schaufelblätter in den Strömungskanal
vorstehen.
[0004] Während des Betriebs der Gasturbinenanlage wird der Strömungskanal von dem Heißgas
durchströmt, wobei das strömende Heißgas die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt,
die aufgrund der Form der Schaufelblätter in ein auf den Turbinenläufer wirkendes
Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenläufer rotierend antreibt.
[0005] Der thermodynamische Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen ist umso größer, je höher
die Heißgastemperatur in der Gasturbinenanlage ist. Der Höhe der Heißgastemperatur
sind jedoch Grenzen durch die thermische Belastbarkeit der Laufschaufeln gesetzt.
Dementsprechend besteht eine Zielsetzung darin, Laufschaufeln zu schaffen, die auch
bei hohen thermischen Belastungen eine für den Betrieb der Gasturbinenanlage ausreichende
mechanische Festigkeit besitzen. Hierzu werden Laufschaufeln mit aufwendigen Beschichtungssystemen
versehen. Zur weiteren Erhöhung der maximal zulässigen Heißgastemperatur werden Laufschaufeln
während des Betriebs der Gasturbinenanlage gekühlt. Dazu sind in ihrem Inneren Hohlräume
und Kühlkanäle ausgebildet, die von einem Kühlfluid, zumeist Luft durchströmt werden.
Gängige Kühlverfahren sind beispielsweise die Prallkühlung, bei der das Kühlfluid
derart geführt wird, dass es von innen auf die Wandung des Schaufelblatts prallt,
oder die Filmkühlung, bei der das Kühlfluid durch in dem Schaufelblattkörper ausgebildete
Kühlbohrungen aus dem Inneren des Schaufelblatts nach außen strömt, um an dessen Außenseite
einen Kühlfilm zu bilden.
[0006] Es ist bekannt, die Schaufelblätter gekühlter Laufschaufeln in einem Gussverfahren
herzustellen. Gängige gegossene Schaufelblätter umfassen jeweils einen hohlen Schaufelblattkörper,
der in dem Bereich der Schaufelspitze durch einen sogenannten Kronenboden verschlossen
ist. Ferner trägt der Schaufelblattkörper in dem Bereich der Schaufelspitze eine Anstreifkante,
die außenseitig bündig an den Schaufelblattkörper angegossen ist und entlang der Außenkontur
der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers in der radialen Richtung vorsteht. Zwischen
der Anstreifkante und einer den Strömungskanal der Gasturbinenanlage begrenzenden
Kanalwandung verbleibt ein enger Radialspalt vorgegebener Breite, um einerseits ein
reibungsarmes Rotieren des Turbinenläufers in dem Strömungskanal zu ermöglichen, andererseits
aber nur einen geringen Teil des Heißgases ungenutzt durch den Radialspalt durchströmen
zu lassen. Zum Schutz der Anstreifkante ist es bekannt, in der Anstreifkante zur Kühlung
Kühlkanäle auszubilden, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu Kühlfluidaustrittsöffnungen
erstrecken, die in den Stirnflächen der Anstreifkante ausgebildet sind.
[0007] Nach einer gewissen Betriebsdauer der Turbinenanlage kann es zu Veränderungen des
Radialspalts kommen. Beispielsweise kann der Turbinenläufer durch Kriechen seine ursprünglich
zentrale Lage verlassen, die Länge der Laufschaufeln infolge der Zentrifugalkraft
zunehmen oder sich ein ursprünglich kreisrunder Strömungskanal ovalisieren. Diese
Effekte resultieren aus einem Setzen und/oder einer Längung infolge thermischer Belastung
durch das Heißgas und/oder von rotationsbedingten Fliehkräften beziehungsweise der
Schwerkraft. Der dadurch bewirkte Kontakt zwischen den Stirnflächen der Anstreifkanten
und der Kanalwandung führt zu einem reibungsbedingten Abtrag von Material in Form
von Metallstaub oder Metallspänen von den Anstreifkanten. Dann können sich die Kühlfluidaustrittsöffnungen
mit dem abgetragenen Schaufelblattmaterial zusetzen, wodurch ein Kühlen der Anstreifkanten
beeinträchtigt oder verhindert wird. Die unzureichende Kühlung der Anstreifkanten
führt zu einem höheren Verschleiß und folglich zu einer geringeren Lebensdauer der
Schaufelblätter.
[0008] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Laufschaufel für eine Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, die
einen alternativen Aufbau besitzt und eine zuverlässige Kühlung der Anstreifkante
ermöglicht.
[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Laufschaufel für
eine Gasturbine der eingangs genannten Art, bei der in der Stirnfläche der Anstreifkante
wenigstens eine Vertiefung ausgebildet ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle
derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen vollständig in einem Bodenbereich
der wenigstens einen Vertiefung liegen.
[0010] Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Kühlfluidaustrittsöffnungen bezogen
auf die radiale Richtung gegenüber der Stirnfläche der Anstreifkante abzusenken. Dies
wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, dass in der Stirnfläche der Anstreifkante wenigstens
eine Vertiefung ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Kühlaustrittsöffnungen
vollständig in einem Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung angeordnet sind.
Auf diese Weise sind die Kühlfluidaustrittsöffnungen von dem Kontaktbereich zwischen
der Stirnfläche der Anstreifkante und der Kanalwandung entfernt, wodurch ein Zusetzen
der Kühlfluidaustrittsöffnungen mit abgetragenem Schaufelblattmaterial reduziert oder
verhindert wird. Infolge dessen bleibt die Kühlleistung über die Betriebsdauer der
Gasturbinenanlage im Wesentlichen erhalten, was mit einer entsprechend langen Lebensdauer
der Schaufelblätter einhergeht.
[0011] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Bodenbereich der wenigstens einen
Vertiefung bezogen auf die radiale Richtung zwischen der Stirnfläche der Anstreifkante
und der Außenfläche des Kronenbodens angeordnet, wobei insbesondere der Bodenbereich
als eine flache Bodenfläche ausgebildet ist, die gegenüber der Stirnfläche eine Tiefe
besitzt, die im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mmm und bevorzugt im Bereich von 0,5 mm
bis 2,5 mm liegt. Eine solche radiale Position des Bodenbereichs bewirkt einerseits,
dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen in unmittelbarer Nähe des freien Endbereichs
der Anstreifkante angeordnet sind, wodurch sich eine effektive Kühlung dieses Bereichs
der Anstreifkante gewährleisten lässt. Die geringe Tiefe der Bodenfläche der Vertiefung
gegenüber der Stirnfläche reicht andererseits aus, um zu verhindern, dass von der
Stirnfläche abgetragene Materialpartikel die Kühlfluidaustrittsöffnungen zusetzen,
was mit einer gleichbleibenden Kühlleistung einhergeht.
[0012] In bekannter Weise besitzt die Anstreifkante bezogen auf die radiale Richtung gegenüber
der Außenfläche des Kronenbodens eine Höhe, die im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorteilhaft
im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegt und bevorzugt 3,5 mm beträgt. In Anstreifkanten
mit einer Höhe in diesem Bereich lassen sich Vertiefungen mit geeigneter Tiefe ohne
Weiteres ausbilden.
[0013] Gemäß einer Weiterentwicklung ist eine Innenfläche der Anstreifkante gegenüber der
radialen Richtung nach außen geneigt, wobei der Neigungswinkel in einer sich in radialer
Richtung erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante senkrecht durchschneidet,
und in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und bevorzugt weniger als 30° beträgt. Infolge
der Neigung der Innenfläche der Anstreifkante verbreitert sich die Anstreifkante von
der Stirnfläche in Richtung des Kronenbodens. Dies verbessert die Stabilität der Anstreifkante
und verbessert zusätzlich den Wärmetransport zwischen der Anstreifkante und dem Kronenboden
beziehungsweise der Umfangswandung.
[0014] Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die wenigstens
eine Vertiefung unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu der Innenseite
der Anstreifkante, wobei insbesondere eine Stufenecke des Querschnitts, bevorzugt
die Innenecke abgerundet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist wenigstens eine Vertiefung
zur Innenseite hin offen ausgebildet. Derartige Vertiefungen können bereits während
des Gießens des Schaufelblattkörpers oder erst nachträglich beispielsweise durch Fräsen
oder Erodieren einfach hergestellt werden.
[0015] Bevorzugt besitzt in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung die Stirnfläche
der Anstreifkante eine Breite, die geringer ist als die Dicke der Umfangswandung des
Schaufelblattkörpers in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung. Dazu kann in
dem Bereich der Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante eine Breite besitzen,
die geringer ist als die Breite des Bodenbereichs der wenigstens einen Vertiefung.
Auf diese Weise bildet nur ein relativ schmaler Außenbereich der Anstreifkante deren
radial äußeren Endbereich.
[0016] Vorteilhaft besitzen in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung die Stirnfläche
der Anstreifkante und der Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung gemeinsam eine
Breite, die etwa gleich der Dicke der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers in dem
Bereich der wenigstens einen Vertiefung ist. Derartige Anstreifkanten stellen im Wesentlichen
eine Fortsetzung der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers über den Kronenboden
hinaus dar.
[0017] Alternativ kann die Vertiefung in der Stirnfläche der Anstreifkante als Nut unter
Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächenabschnitts
ausgebildet sein, wobei insbesondere die Innenecken der Vertiefung abgerundet sind.
[0018] In diesem Fall können in dem Bereich der Vertiefung die Breite des außenseitigen
Stirnflächenabschnitts und die Breite des innenseitigen Stirnflächenabschnitts der
Anstreifkante jeweils im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm liegen und bevorzugt mindestens
1 mm betragen, wobei das Verhältnis zwischen der außenseitigen Breite und der innenseitigen
Breite im Bereich zwischen 0,7 mm und 1,3 mm, insbesondere 0,9 und 1,1 liegt und bevorzugt
1 ist.
[0019] Gemäß einer weiteren Variante verjüngt sich in dem Bereich der Vertiefung die Umfangswandung
in Richtung des Kronenbodens zugunsten des Hohlraums, wobei sich die Dicke der Umfangswandung
von einer Ausgangsdicke auf eine verjüngte Dicke reduziert, die mindestens halb so
groß wie die Ausgangsdicke ist, und die Verjüngung über einen radialen Abschnitt der
Umfangswandung erfolgt, dessen Höhe mindestens fünfmal und höchstens zehnmal so groß
ist wie die Ausgangsdicke. Infolge der reduzierten Dicke der Umfangswandung unmittelbar
unterhalb des Kronenbodens können die Kühlkanäle derart ausgebildet sein, dass sie
sich näher zu der Außenseite der Anstreifkante erstrecken, was mit einer verbesserten
konvektiven Kühlung der Anstreifkante einhergeht.
[0020] Vorteilhaft sind in der wenigstens einen Vertiefung die Kühlfluidaustrittsöffnungen
nebeneinander und beabstandet zueinander insbesondere äquidistant und/oder entlang
einer Linie angeordnet. Derartig angeordnete Kühlfluidaustrittsöffnungen eignen sich
in besonderem Maße dazu, die Anstreifkante entlang Ihrer umfänglichen Erstreckung
zu kühlen. Grundsätzlich können die Kühlfluidaustrittsöffnungen aber beliebig verteilt
sein.
[0021] Bei einer erfindungsgemäßen Laufschaufel kann die wenigstens eine Vertiefung nur
in einem von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umgebungswandung abragenden Abschnitt
der Anstreifkante vorgesehen sein. Auf diese Weise lässt sich die Kühlung des von
dem saugseitigen Wandabschnitt der Umfangswandung abragenden Abschnitts der Anstreifkante
verbessern.
[0022] In einer Variante der vorliegenden Erfindung ist genau eine Vertiefung vorgesehen.
Dies führt zu einer besonders einfachen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufel.
[0023] Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten
Vertiefungen vorgesehen sein, in die jeweils ein Teil der Kühlkanäle mündet und die
insbesondere jeweils wenigstens ein oben genanntes Merkmal aufweisen. Mehrere Vertiefungen
führen zu einer entsprechenden Gruppierung der Kühlkanäle.
[0024] Gemäß einer Variante erstreckt sich jeder Kühlkanal geradlinig und/oder besitzt einen
kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der im Bereich von 0,25 mm bis 2
mm liegt und bevorzugt 0,6 mm beträgt.
[0025] Dabei können die Kühlkanäle im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen aufgeweitet
sein, wobei die Aufweitungen insbesondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen
Höhe höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durchmesser des Kühlkanals
und/oder dessen Durchmesser höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der
Durchmesser des Kühlkanals. Derartig aufgeweitete Kühlfluidaustrittsöffnungen können
als Diffusor wirken und den austretenden Kühlfluidstrom entsprechend aufweiten, sodass
nach dem Prinzip der Filmkühlung ein großer Bereich der Anstreifkante gekühlt werden
kann. Alternativ zu der zylindrischen Form können die Kühlfluidaustrittsöffnungen
auch konisch, halb-konisch oder fächerartig aufgeweitet sein.
[0026] Vorteilhaft sind die Kühlkanäle als Bohrungen ausgebildet. Durch Bohren lassen sich
geradlinige Kühlkanäle mit kreisförmigem Querschnitt einfach in einen gegossenen Schaufelblattkörper
einbringen.
[0027] Vorteilhaft sind die Kühlkanäle gegenüber der radialen Richtung quer zu der Innenfläche
der Anstreifkante geneigt, wobei insbesondere die Neigungswinkel der Kühlkanäle, die
jeweils in einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ebene gemessen werden, welche
die Anstreifkante senkrecht durchschneidet, gleich oder etwa gleich dem Neigungswinkel
der Innenfläche der Anstreifkante sind. Kühlkanäle mit einer solchen Neigung leiten
das aus den Kühlfluidaustrittsöffnungen austretende Kühlfluid von innen zu dem äußeren
Endbereich der Anstreifkante.
[0028] Gemäß einer Variante ist jeder Kühlkanal gegenüber einer zu der radialen Richtung
senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel oder in Richtung der
Abströmkante der Laufschaufel geneigt, wobei der Neigungswinkel in Richtung der Abströmkante
der Laufschaufel und der Neigungswinkel in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel
jeweils in einer Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels senkrecht schneidet,
gemessen werden, im Bereich zwischen 30° und 90° liegen und bevorzugt 45° betragen.
Kühlkanäle mit einer solchen Neigung in Richtung der Anströmkante oder in Richtung
der Abströmkante weisen eine größere Länge auf, wodurch sich die konvektive Kühlung
der Anstreifkante verbessern kann. Zudem können sie die Strömungsrichtung des austretenden
Kühlfluids günstig beeinflussen. Kühlkanäle unterschiedlicher Neigungsrichtungen können
sich durchdringen oder ohne Durchdringung kreuzen.
[0029] Gemäß einer Weiterentwicklung ist ein Übergangsbereich zwischen einer Innenfläche
der Anstreifkante und der Außenfläche des Kronenbodens abgerundet. Dies verbessert
die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufelspitze.
[0030] In an sich bekannter Weise ist der Schaufelblattkörper durch Gießen oder in einem
generativen Verfahren, insbesondere mittels 3D-Drucken hergestellt. Gießen hat sich
insbesondere für gekühlte Schaufelblätter mit einem Hohlraum in ihrem Inneren als
ein geeignetes Herstellungsverfahren herausgestellt. Aber auch generative Verfahren
sind zur Herstellung von Schaufelblattkörpern geeignet.
[0031] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand von sechs
Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung deutlich. Darin ist:
- Figur 1
- eine perspektivische Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Figur 2
- eine vergrößerte Teilansicht der in der Figur 1 dargestellten Laufschaufel;
- Figur 3
- eine vergrößerte Querschnittsansicht der in Figur 2 dargestellten Laufschaufel entlang
der mit III bezeichneten Linie;
- Figur 4
- eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
- Figur 5
- eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß
einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
- Figur 6
- eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß
einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
- Figur 7
- eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer fünften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 2 entspricht; und
- Figur 8
- eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer sechsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 2 entspricht.
[0032] Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laufschaufel umfasst ein sich in einer
radialen Richtung R erstreckendes Schaufelblatt 1 mit einem gegossenen Schaufelblattkörper
2. Der Schaufelblattkörper 2 besitzt eine Umfangswandung 3, die einen druckseitigen
Wandabschnitt 3a und einen saugseitigen Wandabschnitt 3b aufweist. Ferner umfasst
der Schaufelblattkörper 2 einen plattenförmigen Kronenboden 4, der mit der Umfangswandung
3 im Bereich der Schaufelspitze 5 verbunden ist. Die Umfangswandung 3 und der Kronenboden
4 definieren in dem Schaufelblattkörper 2 einen Hohlraum 6, der während des Betriebs
der Gasturbine von einem Kühlfluid durchströmt wird.
[0033] Weiterhin umfasst der Schaufelblattkörper 2 eine Anstreifkante 7. Die Anstreifkante
7 erstreckt sich entlang der Umfangswandung 3 und fluchtet außenseitig mit dieser.
Dabei steht die Anstreifkante 7 radial über den Kronenboden 4 vor und besitzt bezogen
auf die radiale Richtung R gegenüber der Außenfläche 4a des Kronenbodens eine Höhe
h, die senkrecht zu der Außenfläche 4a des Kronenbodens gemessen wird und etwa 3 mm
beträgt. Eine Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 ist gegenüber der radialen Richtung
R um einen Neigungswinkel δ von ca. 25° geneigt, der in einer sich in radialer Richtung
(R) erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante 7 senkrecht durchschneidet.
Ein Übergangsbereich 8 zwischen der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 und der Außenfläche
4a des Kronenbodens 4 ist abgerundet ausgebildet.
[0034] In einem von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umfangswandung 3 abragenden Abschnitt
der Anstreifkante 7 ist eine Vertiefung 9 ausgebildet, die sich unter Bildung eines
abgestuften Querschnitts bis zu der Innenseite der Anstreifkante 7 erstreckt. Dabei
ist die Innenecke 10 des abgestuften Querschnitts abgerundet. Der Bodenbereich 9a
der Vertiefung 9 ist als eine flache Bodenfläche ausgebildet und bezogen auf die radiale
Richtung R zwischen der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 und der Außenfläche 4a
des Kronenbodens 4 angeordnet. Dabei erstrecken sich die Außenfläche 4a des Kronenbodens
4, die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 parallel
zueinander und senkrecht zu der radialen Richtung R. Auf diese Weise besitzt die Vertiefung
9 gegenüber der Stirnfläche 7b eine Tiefe h
1, die als senkrechter Abstand zwischen der Bodenfläche 9a und der Stirnfläche 7b gemessen
wird und ca. 1 mm beträgt. Entsprechend beträgt die senkrecht gemessene Höhe h
2 der Bodenfläche der Vertiefung 9 über der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 ca. 2
mm. Die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und die Außenfläche 4a des Kronenbodens 4
können aber auch zueinander und/oder zu der radialen Richtung R geneigt sein, wobei
die Tiefe h
1 bzw. die Höhe h
2 dann jeweils bezogen auf die Innenecke 10 zu bestimmen sind.
[0035] In dem Bereich der Vertiefung 9 besitzt die Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 eine
Breite a
1, die geringer ist als die Dicke d
1 der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9.
Darüber hinaus ist die Breite a
1 der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 in dem Bereich der Vertiefung 9 geringer als
die Breite b
1 des Bodenbereichs 9a der Vertiefung 9. Gemeinsam besitzen die Stirnfläche 7b der
Anstreifkante 7 und der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 eine Breite a
1+b
1, die etwa gleich der Dicke d
1 der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9 ist,
wobei die Dicke d
1 als senkrechter Abstand zwischen der Außenfläche und der Innenfläche der Umgebungswandung
3 gemessen wird. Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, werden die Breiten a
1 und b
1 jeweils parallel zueinander und zu der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 gemessen.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können relative Größenverhältnisse
der Breiten a
1 und b
1 sowie der Dicke d
1 aufweisen, die von den hier gewählten abweichen.
[0036] In dem Schaufelblattkörper 2 sind Kühlkanäle 11 ausgebildet, die sich ausgehend vom
dem Hohlraum 6 zu Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 erstrecken, die in der Anstreifkante
7 vorgesehen sind. Die Kühlkanäle 11 münden derart in die Vertiefung 9, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen
12 vollständig in dem Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 angeordnet sind. Dabei sind
die Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 in der Vertiefung 9 äquidistant und entlang einer
Linie nebeneinander angeordnet. Jeder Kühlkanal 11 ist als Bohrung ausgebildet und
erstreckt sich geradlinig. Er besitzt einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser,
der etwa 0,6 mm beträgt. Jeder Kühlkanal 11 ist gegenüber der radialen Richtung R
quer zu der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 geneigt, wobei die Neigungswinkel θ
der Kühlkanäle 11, die jeweils in einer sich in radialer Richtung R erstreckenden
Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante 7 senkrecht durchschneidet, etwa gleich
dem Neigungswinkel δ der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 sind.
[0037] Die Figur 4 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau dieser Laufschaufel stimmt grundsätzlich mit
dem Aufbau der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein.
Abweichend davon sind hier die Kühlkanäle im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen
aufgeweitet. Die aufgeweitete Kühlfluidöffnung 12a besitzt die Form eines Zylinders,
dessen Höhe h
5 gleich dem Durchmesser des Kühlkanals 11 ist und dessen Durchmesser c
5 doppelt so groß wie der Durchmesser des Kühlkanals 11 ist, wodurch sich für den Zylinder
eine Querschnittsfläche ergibt, die viermal so groß ist wie die Querschnittsfläche
des Kühlkanals 11. Bei dieser Ausführungsform wird im Betrieb der Laufschaufel entsprechend
ein aufgeweiteter Kühlstrom erzeugt, mit dem sich ein großer Bereich der Anstreifkante
7 kühlen lässt.
[0038] Die Figur 5 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Sie besitzt grundsätzlich denselben Aufbau wie die in
den Figuren 1 bis 3 dargestellte Laufschaufel. Im Unterschied zu dieser ist die Vertiefung
9 als Nut unter Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen
Stirnflächenabschnitts ausgebildet, erstreckt sich also nicht bis zur Innenseite der
Anstreifkante 7, sondern wird auch innenseitig durch die Anstreifkante 7 begrenzt.
Dabei besitzen die außenseitige Stirnfläche 7b eine Breite a
2, die innenseitige Stirnfläche 7b eine Breite c
2 und der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 eine Breite b
2. Auf diese Weise ergibt sich für die Anstreifkante 7 in dem Bereich der Vertiefung
9 eine gemeinsame Breite von a
2 + b
2 + c
2, die größer ist als die Dicke d
1 der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2. Infolgedessen ist der Neigungswinkel
δ der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 gegenüber der radialen Richtung R entsprechend
kleiner. Die innenseitige Höhe (h
3 + h
4) der Anstreifkante 7 ist vorliegend gleich der außenseitigen Höhe (h
1 + h
2) der Anstreifkante, kann aber auch von dieser abweichen.
[0039] Die Figur 6 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Sie unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen
dadurch, dass sich die Umfangswandung 3 in Richtung des Kronenbodens 4 zugunsten des
Hohlraums 6 verjüngt. Dabei reduziert sich die Dicke der Umfangswandung 3 von einer
Ausgangsdicke d
1 auf eine verjüngte Dicke d
2, die etwa halb so groß ist wie die Ausgangsdicke d
1. Die Verjüngung erfolgt über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung 3, dessen
Höhe 1 ungefähr fünfmal so groß ist wie Ausgangsdicke d
1. In der gezeigten Ausführungsform verläuft die Verjüngung linear, d.h. die Innenseite
der Umfangswandung 3 ist flach und bezogen auf Ausführungsformen ohne Verjüngung der
Umfangswandung 3 um einen Winkel ε geneigt. Dank der Verjüngung der Umfangswandung
3 ist der Querneigungswinkel θ der Kühlkanäle 11 kleiner derart gewählt, dass sich
die Kühlkanäle 11 näher zu der Außenseite der Anstreifkante 7 erstrecken, wodurch
die konvektive Kühlung der Anstreifkante 7 verbessert wird. Der Übergangsbereich zum
Kronenboden 4 ist abgerundet, wobei die Krümmung durch einen Krümmungsradius r
2 definiert ist, der von dem Krümmungsradius r
1 von Ausführungsformen ohne Verjüngung der Umfangswandung 3 abweichen kann. In der
Figur 7 ist ein Krümmungsradius r
2 dargestellt, der ungefähr doppelt so groß wie r
1 ist. Der von dem Kronenboden 4 abgewandte Übergangsbereich der Verjüngung ist zur
Vermeidung einer Kante abgerundet, wobei die Abrundung durch einen Krümmungsradius
r
3 definiert ist.
[0040] Die Figur 7 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Sie besitzt denselben grundsätzlichen Aufbau wie die zuvor
beschriebenen Ausführungsformen und unterscheidet sich von den bisher beschriebenen
Ausführungsformen dadurch, dass die Kühlkanäle gegenüber einer zu der radialen Richtung
R senkrechten Ebene in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel geneigt sind. Dabei
werden die Neigungswinkel α in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel in einer
Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels δ senkrecht schneidet, gemessen und
betragen 45°. Dadurch weisen die Kühlkanäle 11 eine größere Länge auf, wodurch sich
die konvektive Kühlung der Anstreifkante 7 verbessert.
[0041] Die Figur 8 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Sie unterscheidet sich von der in Figur 7 dargestellten
Ausführungsformen dadurch, dass weitere Kühlkanäle 11 vorgesehen sind, die gegenüber
einer zu der radialen Richtung R senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der
Laufschaufel geneigt sind. Dabei werden die Neigungswinkel β in Richtung der Anströmkante
der Laufschaufel in einer Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels δ senkrecht
schneidet, gemessen und betragen 45°. Bei dieser Laufschaufel durchdringen sich die
Kühlkanäle 11 unterschiedlicher Neigungsrichtungen jeweils gegenseitig. Alternativ
können sie sich aber auch ohne Durchdringung kreuzen, insbesondere wenn die Kühlfluidaustrittsöffnungen
12 in zwei nebeneinander angeordneten Reihen angeordnet sind. Auch kann der Neigungswinkel
β abweichend von dem Neigungswinkel α gewählt sein.
[0042] Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Laufschaufel besteht darin, dass die Kühlkanäle
11 nicht oder nur geringfügig durch Materialabtrag von der Stirnfläche 7b der Anstreifkante
7 zugesetzt werden. Dies gewährleistet eine während des Betriebs der Gasturbine gleichbleibende
Kühlung der Anstreifkante 7 und somit eine lange Lebensdauer der Laufschaufel. Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Laufschaufel zeigt sich in der einfachen Herstellbarkeit
der Vertiefung 9 sowie der Kühlkanäle 11. Aufgrund der geringen Tiefe der Vertiefung
9 bleibt eine effektive Kühlung der Anstreifkante 7 über ihre gesamte Höhe h möglich.
Zudem wird das aus den Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 strömende Kühlfluid auf seinem
kurzen Weg zu der außenseitigen Stufe der Anstreifkante 7 während des Betriebs der
Gasturbine kaum abgelenkt, was mit einer effektiven Kühlung der Schaufelspitze 5 einher
geht.
[0043] 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.
1. Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend ein sich in einer radialen Richtung (R)
erstreckendes Schaufelblatt (1) mit einem Schaufelblattkörper (2), der eine Umfangswandung
(3) mit einem druckseitigen Wandabschnitt (3a) und einem saugseitigen Wandabschnitt
(3b), einen im Bereich der Schaufelspitze (5) mit der Umfangswandung (3) verbundenen
plattenförmigen Kronenboden (4) und eine sich entlang der Umfangswandung (3) erstreckende
Anstreifkante (7) aufweist, wobei die Umfangswandung (3) und der Kronenboden (4) in
dem Schaufelblattkörper (2) einen Hohlraum (6) definieren, die Anstreifkante (7) außenseitig
mit der Umfangswandung (3) fluchtet und radial über den Kronenboden (4) vorsteht und
in dem Schaufelblattkörper (2) Kühlkanäle (11) ausgebildet sind, die sich ausgehend
von dem Hohlraum (6) zu in der Anstreifkante (7) vorgesehenen Kühlfluidaustrittsöffnungen
(12) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) wenigstens eine Vertiefung (9) ausgebildet
ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle (11) derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen
(12) vollständig in einem Bodenbereich (9a) der Vertiefung (9) liegen.
2. Laufschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Bodenbereich (9a) der wenigstens einen Vertiefung (9) bezogen auf die radiale
Richtung (R) zwischen der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) und der Außenfläche
(4a) des Kronenbodens (4) angeordnet ist, wobei insbesondere der Bodenbereich (9a)
als eine flache Bodenfläche ausgebildet ist, die gegenüber der Stirnfläche (7b) eine
Tiefe (h1) besitzt, die im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm und bevorzugt im Bereich von 0,5 mm
bis 2,5 mm liegt.
3. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anstreifkante (7) bezogen auf die radiale Richtung (R) gegenüber der Außenfläche
(4a) des Kronenbodens (4) eine Höhe (h) besitzt, die im Bereich von 1 mm bis 10 mm,
vorteilhaft im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegt und bevorzugt 3,5 mm beträgt.
4. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) gegenüber der radialen Richtung (R) nach
außen geneigt ist, wobei der Neigungswinkel (δ) in einer sich in radialer Richtung
(R) erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante (7) senkrecht durchschneidet,
und in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und bevorzugt weniger als 30° beträgt.
5. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die wenigstens eine Vertiefung (9) unter Bildung eines abgestuften Querschnitts
bis zu der Innenseite der Anstreifkante (7) erstreckt, wobei insbesondere eine Stufenecke
des Querschnitts, bevorzugt die Innenecke (10) abgerundet ist.
6. Laufschaufel nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante
(7) eine Breite (a1) besitzt, die geringer ist als die Dicke (d1) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens
einen Vertiefung (9).
7. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante
(7) eine Breite (a1) besitzt, die geringer ist als die Breite (b1) des Bodenbereichs (9a) der wenigstens einen Vertiefung (9).
8. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante
(7) und der Bodenbereich (9a) der Vertiefung (9) gemeinsam eine Breite (a1 + b1) besitzen, die etwa gleich der Dicke (d1) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens
einen Vertiefung (9) ist.
9. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vertiefung (9) in der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) als Nut unter Belassung
eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächenabschnitts
ausgebildet ist, wobei insbesondere die Innenecken (10) der Vertiefung (9) abgerundet
sind.
10. Laufschaufel nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der Vertiefung (9) die Breite (a2) des außenseitigen Stirnflächenabschnitts und die Breite (c2) des innenseitigen Stirnflächenabschnitts der Anstreifkante (7) jeweils im Bereich
von 0,5 mm bis 5 mm liegen und bevorzugt mindestens 1 mm betragen, wobei das Verhältnis
zwischen der außenseitigen Breite (a2) und der innenseitigen Breite (c2) im Bereich zwischen 0,7 und 1,3, insbesondere 0,9 und 1,1 liegt und bevorzugt 1
ist.
11. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich in dem Bereich der Vertiefung (9) die Umfangswandung (3) in Richtung des Kronenbodens
(4) zugunsten des Hohlraums (6) verjüngt, wobei sich die Dicke der Umfangswandung
(3) von einer Ausgangsdicke (d1) auf eine verjüngte Dicke (d2) reduziert, die mindestens
halb so groß wie die Ausgangsdicke (d1) ist, und wobei insbesondere die Verjüngung
über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung (3) erfolgt, dessen Höhe (1) mindestens
fünfmal und höchstens zehnmal so groß ist wie die Ausgangsdicke (d1).
12. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (9) nur in einem von dem saugseitigen Wandabschnitt
(3b) der Umfangswandung (3) abragenden Abschnitt der Anstreifkante (7) vorgesehen
ist.
13. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
genau eine Vertiefung (9) vorgesehen ist.
14. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Vertiefungen (9)
vorgesehen ist, in die jeweils ein Teil der Kühlkanäle (11) mündet und die insbesondere
wenigstens ein Merkmal aus den Ansprüchen 2 bis 10 aufweisen.
15. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der wenigstens einen Vertiefung (9) die Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) in der
Umfangsrichtung nebeneinander und beabstandet zueinander, insbesondere äquidistant
und/oder entlang einer Linie angeordnet sind.
16. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich jeder Kühlkanal (11) geradlinig erstreckt und/oder einen kreisförmigen Querschnitt
mit einem Durchmesser besitzt, der im Bereich von 0,25 mm bis 2 mm liegt und bevorzugt
0,6 mm beträgt.
17. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) aufgeweitet sind,
wobei die Aufweitungen (12a) insbesondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen
Höhe (h5) höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durchmesser eines Kühlkanals
(11) und/oder dessen Durchmesser (c5) höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der Durchmesser eines Kühlkanals
(11).
18. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) als Bohrungen ausgebildet sind.
19. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 16 bis 18 und Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) gegenüber der radialen Richtung (R) geneigt sind, wobei die Neigungswinkel
(θ) der Kühlkanäle (11), die jeweils in einer sich in radialer Richtung (R) erstreckenden
Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante (7) senkrecht schneidet, gleich oder
etwa gleich dem Neigungswinkel (δ) der Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) sind.
20. Laufschaufel nach Anspruch 16 bis 19 und Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Kühlkanal (11) gegenüber einer zu der radialen Richtung (R) senkrechten Ebene
in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel oder in Richtung der Abströmkante der
Laufschaufel geneigt ist, wobei der Neigungswinkel (α) in Richtung der Abströmkante
der Laufschaufel und der Neigungswinkel (β) in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel
jeweils in einer Ebene, welche die Messebene des Neigungswinkels (δ) senkrecht schneidet,
gemessen werden, im Bereich zwischen 30° und 90° liegen und bevorzugt 45° betragen.
21. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Übergangsbereich (8) zwischen einer Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) und
der Außenfläche (4a) des Kronenbodens (4) abgerundet ist.
22. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattkörper (2) durch Gießen oder in einem generativen Verfahren, insbesondere
mittels 3D-Drucken hergestellt ist.