CH705185A1

CH705185A1 - Schaufel für eine Gasturbine sowie Verfahren zum Herstellen einer solchen Schaufel.

Info

Publication number: CH705185A1
Application number: CH01093/11A
Authority: CH
Inventors: Martin Schnieder; Dr Joerg Krueckels
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2012-12-31
Also published as: CN102852562A; CN102852562B; JP5730244B2; US9062555B2; US20130004332A1; EP2540972A1; EP2540972B1; JP2013011278A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel (10) für eine Gasturbine, umfassend ein Schaufelblatt (11), dessen Schaufelwand (18) einen Innenraum (17) umschliesst, wobei in der Schaufelwand (18) eine Kühlanordnung (19) zur Kühlung der Schaufelwand (18) angeordnet ist, welche einen in Schaufellängsrichtung verlaufenden Radialkanal (20) aufweist, von dem in Querrichtung eine Mehrzahl von in der Schaufelwand (18) verlaufenden Kühlkanälen (21, 22) abzweigt, und von dem in Querrichtung eine Mehrzahl von Filmkühlungslöcher (23) nach aussen geführt sind. Eine besonders effiziente Kühlung wird dadurch ermöglicht, dass die Verteilung der Filmkühlungslöcher (23) längs des Radialkanals (20) unabhängig gewählt ist von der Verteilung der Kühlkanäle (21, 22) längs des Radialkanals (20).

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik der Gasturbinen. Sie betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Schaufel.

STAND DER TECHNIK

[0002] Die immer höher werdenden Heissgastemperaturen bei Gasturbinen machen es erforderlich, die eingesetzten Laufschaufeln und/oder Leitschaufeln nicht nur aus speziellen Materialien herzustellen, sondern auch auf effiziente Weise unter Einsatz eines Kühlmediums zu kühlen. Dabei wird das Kühlmedium in das Innere der Schaufeln eingeführt, strömt durch in den Wänden angeordnete Kühlkanäle und tritt durch Filmkühlungslöcher nach aussen, um an den thermisch besonders belasteten Stellen auf der Aussenseite der Schaufel einen Kühlfilm auszubilden.

[0003] Der gegenwärtige Stand der Schaufelkühlungs-Technologie ist beispielsweise aus der Druckschrift US 6 379 118 B2 bekannt. Dort werden Kühlkanäle in den Wänden in Kombination mit Prallkühlung, Turbulenzen erzeugenden Elementen, Gegenstrom und Filmkühlung eingesetzt, um die Wandtemperaturen so niedrig zu halten, dass eine ausreichende Lebensdauer der Komponente erreicht wird.

[0004] Der in dieser Druckschrift beschriebene Stand der Technik hat jedoch verschiedene Nachteile: Der Abstand der Filmkühlungslöcher kann nicht frei gewählt werden, um die verschiedenen Kühlmechanismen (Filmkühlung und interne Kühlung) auszubalancieren, weil eine strikte Abfolge von Kühlkanälen und Filmkühlungslöchern eingehalten wird; es gibt keine Möglichkeit, die Rückwand während des Einbringens der Filmkühlungslöcher zu schützen; und es gibt kein existierendes Verfahren, um die Kehlen zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform zu kühlen, die für die Lebensdauer besonders kritisch sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0005] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaufel für eine Gasturbine zu schaffen, die sich durch eine deutlich verbesserte Kühlung auszeichnet.

[0006] Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaufel anzugeben.

[0007] Diese und andere Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst.

[0008] Die Erfindung geht aus von einer Schaufel für eine Gasturbine, die ein Schaufelblatt, dessen Schaufelwand einen Innenraum schliesst, umfasst, wobei in der Schaufelwand eine Kühlanordnung zur Kühlung der Schaufelwand angeordnet ist, welche einen in Schaufellängsrichtung verlaufenden Radialkanal aufweist, von dem in Querrichtung eine Mehrzahl von in der Schaufelwand verlaufenden Kühlkanälen abzweigt, und von dem in Querrichtung eine Mehrzahl von Filmkühlungslöcher nach aussen geführt sind. Die Schaufel zeichnet sich dadurch aus, dass die Verteilung der Filmkühlungslöcher längs des Radialkanals unabhängig gewählt ist von der Verteilung der Kühlkanäle längs des Radialkanals.

[0009] Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkanal aus der Mitte der Schaufelwand nach innen versetzt angeordnet ist, um eine fächerförmige Anordnung der Filmkühlungslöcher zu ermöglichen. Durch den Versatz ist der Wandbereich zwischen dem Radialkanal und der Aussenseite deutlich dicker, so dass für die fächerförmige Anordnung ausreichend Wandmaterial vorhanden ist.

[0010] Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Radialkanal an einem Ende von aussen zugänglich und dort durch ein nachträglich angebrachtes Verschlusselement verschlossen ist. Dieser Zugang von aussen ermöglicht es, bei der Bearbeitung der Schaufel in das Innere des Radialkanals zum Schutz der Innenwände einen Streifen einzuschieben.

[0011] Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine Plattform umfasst, in welche das Schaufelblatt am unteren Ende übergeht, und dass der Radialkanal am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform von aussen zugänglich ist. Auf diese Weise liegt der verschliessbare Zugang im Inneren der Schaufel.

[0012] Eine noch andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine Plattform umfasst, in welche das Schaufelblatt am unteren Ende unter Ausbildung einer Kehle übergeht, und dass zur Kühlung des Übergangsbereichs Kühlkanäle im Bereich der Kehle vorgesehen sind. Hierdurch wird der besonders kritische Übergangsbereich optimal gekühlt.

[0013] Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind in den Kühlkanälen zur Verbesserung der Kühlung Turbulenzelemente, insbesondere in Form von Rippen oder Pfosten, vorgesehen.

[0014] Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass Prallkühlungslöcher vorgesehen sind, welche vom Innenraum der Schaufel zu den Kühlkanälen führen.

[0015] Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass von dem Radialkanal nur zu einer Seite Kühlkanäle ausgehen.

[0016] Es ist aber auch denkbar, dass von dem Radialkanal zu beiden Seiten Kühlkanäle ausgehen.

[0017] Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen einer Schaufel mit einem von aussen zugänglichen Radialkanal ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die Schaufel mit einem an einer Seite offenen Radialkanal bereitgestellt wird, dass in einem zweiten Schritt in den offenen Radialkanal ein streifenförmiger Einsatz eingeschoben wird, dass in einem dritten Schritt von aussen Filmkühlungslöcher in die Schaufel eingebracht werden, wobei die den Filmkühlungslöchern gegenüberliegende Wand des Radialkanals bei der Bearbeitung durch den Einsatz geschützt ist, und dass in einem vierten Schritt der Einsatz aus dem Radialkanal entfernt wird.

[0018] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkanal nach dem Entfernen des Einsatzes mit einem Verschlusselement verschlossen wird.

[0019] Insbesondere wird das Verschlusselement hartgelötet.

[0020] Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Filmkühlungslöcher durch Laserbohren eingebracht werden, und dass als Einsatz ein PTFE-Streifen verwendet wird.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0021] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>in einer perspektivischen Seitenansicht eine Gasturbine-Schaufel mit Plattform, in deren Wand eine Kühlungsanordnung mit Radialkanal und seitlich abgehenden Kühlkanälen angeordnet ist; <tb>Fig. 2<sep>ein Querschnitt durch eine Schaufelwand mit einer Kühlungsanordnung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 2a) und die Seitenansicht derselben Kühlungsanordnung (Fig. 2b); <tb>Fig. 3<sep>in einer zu Fig. 2b vergleichbaren Darstellung eine Kühlungsanordnung mit beidseitig von Radialkanal abgehenden Kühlungskanälen; <tb>Fig. 4<sep>in einer zu Fig. 2b vergleichbaren Darstellung eine Kühlungsanordnung mit zur anderen Seite vom Radialkanal abgehenden Kühlungskanälen und einer dichteren Anordnung von Filmkühlungslöchern; <tb>Fig. 5<sep>den Schnitt durch eine Schaufel am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform mit einer Kühlungsanordnung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und <tb>Fig. 6<sep>den Schnitt durch eine Schaufel am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform mit einem von unten zugänglichen Radialkanal, in den für die Bearbeitung gemäss einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens ein Einsatz eingeschoben ist.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0022] Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Schaufel für eine Gasturbine, wie sie beispielhaft in Fig. 1 in einer perspektivischen Seitenansicht dargestellt ist. Die Schaufel 10, die eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel der Gasturbine sein kann, umfasst ein Schaufelblatt 11, dass - wie üblich - eine Vorderkante 13, eine Hinterkante 14, eine Druckseite 15 und eine Saugseite 16 aufweist. Das Schaufelblatt 11, das sich mit seiner Längsachse in radialer Richtung erstreckt, geht nach unten unter Ausbildung einer Kehle 24 über in eine Plattform. Das Schaufelblatt 11 hat eine Schaufelwand 18, die einen hohlen Innenraum 17 umschliesst. In der Schaufelwand 18 ist (mit gestrichelten Linien angedeutet) eine Kühlanordnung 19 untergebracht, die ein Kühlmedium, z.B. Kühlluft, von innen kommend durch die Wand leitet und dann zur Bildung eines Kühlfilms nach aussen führt.

[0023] Die Kühlanordnung 19 umfasst in diesem Beispiel einen zentralen Radialkanal 20, von dem aus in gleichen Abständen und zu beiden Seiten Kühlkanäle 21, 22 abgehen. Des Weiteren gehen von Radialkanal 20 Filmkühlungslöcher 23 nach aussen, durch die das Kühlmedium zur Filmbildung nach aussen tritt. Für die Erfindung wesentlich ist bei dieser Art der Kühlanordnung nun, dass die Verteilung beziehungsweise Dichte beziehungsweise Periodizität der Filmkühlungslöcher 23 unabhängig von der Verteilung beziehungsweise Dichte beziehungsweise Periodizität der Kühlkanäle 21, 22 gewählt ist, um die Filmkühlung auf der Aussenseite der Schaufel 10 unabhängig von der internen Wandkühlung zu optimieren.

[0024] In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel im Querschnitt (Fig. 2a) und in der Seitenansicht (Fig. 2b) einer Kühlanordnung nach der Erfindung wiedergegeben. Die Kühlanordnung 19a hat einen Radialkanal 20, von dem nur zu einer Seite hin Kühlkanäle 21 in gleichmässigem Abstand abgehen. In den Kühlkanälen 21 können an sich bekannte Turbulenzelemente 26 angeordnet sein, um durch Ausbildung von Turbulenzen den Wärmeübergang zwischen Kühlmedium und Wand zu verbessern. Die Turbulenzelemente 26 können beispielsweise in Form von Rippen oder Pfosten («pins») ausgebildet sein. Weiterhin können an den Kühlkanälen 21 Prallkühlungslöcher 25 vorgesehen sein, durch die vom Innenraum 17 der Schaufel 10 aus Kühlmedium in die Kühlkanäle 21 einströmt und kühlend auf die gegenüberliegende Innenwand der Kühlkanäle 21 prallt.

[0025] Wie man aus der Fig. 2aersehen kann, ist der Radialkanal 20 aus der Mitte der Schaufelwand 18 nach innen (in Fig. 2anach unten) versetzt angeordnet. Dadurch erhält der Wandabschnitt zwischen Radialkanal 20 und der Aussenseite eine grössere Dicke d, die notwendig ist, um eine fächerförmige Anordnung der Filmkühlungslöcher 23 und damit eine verbesserte Ausbildung der Kühlfilme auf der Aussenseite zu ermöglichen.

[0026] Andere Ausführungsbeispiele von Kühlanordnungen sind in Fig. 3 und Fig. 4 wiedergegeben. Die Kühlanordnung 19b der Fig. 3zeichnet sich dadurch aus, dass von dem zentralen Radialkanal 20 zu beiden Seiten Kühlkanäle 21 und 22 abgehen, die mit entsprechenden Prallkühlungslöchern 25 ausgestattet sind. Die Anordnung der beidseits von dem Radialkanal 20 abgehenden Kühlkanäle 21 und 22 muss dabei nicht zwingend symmetrisch sein; die Kühlkanäle 21 und 22 können also längs des Radialkanals 20 eine unterschiedliche Verteilung aufweisen. Die Kühlanordnung 19c der Fig. 4zeichnet sich dadurch aus, dass vom Radialkanal 20 Kühlkanäle 22 nur zur anderen Seite abgehen, und dass die Filmkühlungslöcher 23 im Radialkanal 20 einen besonders geringen Abstand haben.

[0027] Wie bereits erwähnt, kommt der Kehle 24 am Übergang zwischen dem Schaufelblatt 11 und der Plattform 12 im Hinblick auf die Kühlung eine besondere Bedeutung zu. Im Rahmen des Erfindungskonzeptes werden daher gemäss Fig. 5auch im Bereich der Kehle 24 in der Schaufelwand 18 Kühlkanäle 22 vorgesehen, die in dem kritischen Bereich für eine ausreichende Kühlung sorgen.

[0028] Im Hinblick auf die Herstellung der Schaufel 10 ist es von Vorteil, wenn der Radialkanal 20 gemäss Fig. 6 von einer Seite, insbesondere von unten her, zugänglich ist. Dies wird gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 dadurch erreicht, dass der Radialkanal 20 im Bereich der Kehle 24 in den Innenraum der Schaufel mündet (in Fig. 6 ist diese Mündung bereits mit einem Verschlusselement 28 verschlossen, was allerdings erst nach dem Einbringen der Filmkühlungslöcher 23 passiert). Sollen von aussen, z.B. mittels Laserbohren mit einem Laserstrahl 29, Filmkühlungslöcher 23 in die Schaufel eingebracht werden, wird zunächst durch die untere Öffnung ein streifenförmiger Einsatz 27, der vorzugsweise aus PTFE besteht, in den Radialkanal 20 eingeschoben, um beim Bohren der Löcher die gegenüberliegende Innenwand in Radialkanal 20 zu schützen. Nachdem die Filmkühlungslöcher 23 eingebracht sind, wird der Einsatz 27 aus dem Radialkanal 20 herausgezogen und der Radialkanal 20 mit dem hart angelöteten Verschlusselement 28 verschlossen.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0029] <tb>10<sep>Schaufel (Leit- oder Laufschaufel) <tb>11<sep>Schaufelblatt <tb>12<sep>Plattform <tb>13<sep>Vorderkante <tb>14<sep>Hinterkante <tb>15<sep>Druckseite <tb>16<sep>Saugseite <tb>17<sep>Innenraum <tb>18<sep>Schaufelwand <tb>19, 19a-c<sep>Kühlanordnung <tb>20<sep>Radialkanal <tb>21,22<sep>Kühlkanal <tb>23<sep>Filmkühlungsloch <tb>24<sep>Kehle <tb>25<sep>Prallkühlungsloch <tb>26<sep>Turbulenzelement <tb>27<sep>Einsatz (streifenförmig) <tb>28<sep>Verschlusselement <tb>29<sep>Laserstrahl

Claims

1. Schaufel (10) für eine Gasturbine, umfassend ein Schaufelblatt (11), dessen Schaufelwand (18) einen Innenraum (17) umschliesst, wobei in der Schaufelwand (18) eine Kühlanordnung (19, 19a-c) zur Kühlung der Schaufelwand (18) angeordnet ist, welche einen in Schaufellängsrichtung verlaufenden Radialkanal (20) aufweist, von dem in Querrichtung eine Mehrzahl von in der Schaufelwand (18) verlaufenden Kühlkanälen (21, 22) abzweigt, und von dem in Querrichtung eine Mehrzahl von Filmkühlungslöchern (23) nach aussen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Filmkühlungslöcher (23) längs des Radialkanals (20) unabhängig gewählt ist von der Verteilung der Kühlkanäle (21, 22) längs des Radialkanals (20).

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkanal (20) aus der Mitte der Schaufelwand (18) nach innen versetzt angeordnet ist, um eine fächerförmige Anordnung der Filmkühlungslöcher (23) zu ermöglichen.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkanal (20) an einem Ende von aussen zugänglich und dort durch ein nachträglich angebrachtes Verschlusselement (28) verschlossen ist.

4. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (10) eine Plattform (12) umfasst, in welche das Schaufelblatt (11) am unteren Ende übergeht, und dass der Radialkanal (20) am Übergang zwischen Schaufelblatt (11) und Plattform (12) von aussen zugänglich ist.

5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (10) eine Plattform (12) umfasst, in welche das Schaufelblatt (11) am unteren Ende unter Ausbildung einer Kehle (24) übergeht, und dass zur Kühlung des Übergangsbereichs Kühlkanäle (22) im Bereich der Kehle (24) vorgesehen sind.

6. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlkanälen (21, 22) zur Verbesserung der Kühlung Turbulenzelemente (26), insbesondere in Form von Rippen oder Pfosten, vorgesehen sind.

7. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Prallkühlungslöcher (25) vorgesehen sind, welche vom Innenraum (17) der Schaufel (10) zu den Kühlkanälen (21, 22) führen.

8. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Radialkanal (20) nur zu einer Seite Kühlkanäle (21, 22) ausgehen.

9. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Radialkanal (20) zu beiden Seiten Kühlkanäle (21, 22) ausgehen.

10. Schaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der beiderseits von dem Radialkanal (20) abgehenden Kühlkanäle (21, 22) unabhängig voneinander gewählt ist.

11. Verfahren zum Herstellen einer Schaufel (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die Schaufel (10) mit einem an einer Seite offenen Radialkanal (20) bereitgestellt wird, dass in einem zweiten Schritt in den offenen Radialkanal (20) ein streifenförmiger Einsatz (27) eingeschoben wird, dass in einem dritten Schritt von aussen Filmkühlungslöcher (23) in die Schaufel eingebracht werden, wobei die den Filmkühlungslöchern (23) gegenüberliegende Wand des Radialkanals (20) bei der Bearbeitung durch den Einsatz (27) geschützt ist, und dass in einem vierten Schritt der Einsatz (27) aus dem Radialkanal (20) entfernt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkanal (20) nach dem Entfernen des Einsatzes (27) mit einem Verschlusselement (28) verschlossen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (28) hartgelötet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filmkühlungslöcher (23) durch Laserbohren eingebracht werden, und dass als Einsatz (27) ein PTFE-Streifen verwendet wird.