CH709651A2 - Turbinenschaufelanordnung und Gasturbinensystem mit einer Turbinenschaufelanordnung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelanordnung und ein Gasturbinensystem mit einer Turbinenschaufelanordnung (200). Die Turbinenschaufelanordnung (200) weist eine Verbindung (108) mit einem einzelnen Vorsprung, und einer einteiligen Plattform (112) auf, wobei die Verbindung (108) eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil (110), das einen Fussabschnitt und einen Spitzenabschnitt, der einteilig mit dem Fussabschnitt ist, aufweist, wobei der Spitzenabschnitt ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die kürzer ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad (105), das eine Aufnahme mit einer Geometrie aufweist, die der Verbindung (108) mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung (108) mit einem einzelnen Vorsprung verbunden ist. Das Turbinenrad (105) weist ein Turbinenradmaterial auf, und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil (110) weisen ein Turbinenschaufelmaterial auf, wobei das Turbinenschaufelmaterial eine höhere Wärmebeständigkeit und eine niedrigere Wärmeausdehnung aufweist als das Turbinenradmaterial.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenbauteile und Turbinensysteme. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Turbinenschaufelanordnungen und Turbinensysteme mit einer oder mehreren Turbinenschaufelanordnungen.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

[0002] Zumindest einige bekannte Gasturbinen weisen eine Brennkammer, einen Verdichter und/oder Turbinen auf, die eine Laufradscheibe aufweisen, die eine Mehrzahl von Laufradschaufeln, oder Schaufeln, aufweist, die von dort aus radial nach aussen verlaufen. Die Mehrzahl von sich drehenden Turbinenlaufschaufeln oder -schaufeln leiten Hochtemperaturfluide wie Verbrennungsgase oder Dampf entweder durch eine Gasturbine oder eine Dampfturbine. Die Füsse von zumindest einigen bekannten Schaufeln sind mit der Scheibe über Schwalbenschwänze verbunden, die in entsprechende Schwalbenschwanzschlitze eingesetzt werden, die in der Laufradscheibe geformt sind, damit eine beschaufelte Scheibe oder «Blisk» entsteht. Da derartige Turbinen bei relativ hohen Temperaturen arbeiten und relativ gross sein können, kann die Betriebsleistung einer solchen Turbine zumindest teilweise durch die Materialien, die bei der Herstellung der Schaufeln verwendet werden, und/oder die Länge der Profilabschnitte der Schaufeln eingeschränkt sein. Zur Ermöglichung einer verbesserten Leistung haben zumindest einige Turbinenhersteller die Grösse der Turbinen vergrössert, wodurch eine Vergrösserung der Länge des Profilabschnitts der Schaufeln bewirkt wird. Bei einer derartigen Verlängerung kann es erforderlich sein, dass die Grösse der Schwalbenschwänze und der Schwalbenschwanzschlitze vergrössert wird, damit die längeren Schaufeln in ihrer Position gehalten werden.

[0003] Turbinenschaufelanordnungen, ob mit oder ohne zu reparierende und/oder austauschbare Profilspitzenabschnitte, sind verschiedenen Kräften ausgesetzt. Durch diese Kräfte ist es erforderlich, dass verschiedene Abschnitte der Turbinenschaufelanordnungen verschiedene Eigenschaften aufweisen. Es ist bekannt, dass eine Veränderung der Dichte je nach Lage des Materials von Nutzen sein kann. Eine weitere Charakterisierung von Eigenschaften, die vorteilhafte Ergebnisse liefern, insbesondere hinsichtlich bestimmter Materialien, würde jedoch zusätzliche Vorteile mit sich bringen.

[0004] Eine Turbinenschaufelanordnung und ein Turbinensystem mit einer Turbinenschaufelanordnung mit Verbesserungen wären im Fachgebiet wünschenswert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0005] In einer Ausführungsform weist eine Turbinenschaufelanordnung eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und einer einteiligen Plattform auf, wobei, die Verbindung eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil, das von der einteiligen Plattform aus radial nach aussen verläuft und einen Fussbereich und einen Spitzenbereich, der einteilig mit dem Fussbereich ist, aufweist, wobei der Spitzenbereich ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die kürzer ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad, das eine Aufnahme mit einer Geometrie aufweist, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung verbunden ist. Das Turbinenrad weist ein Turbinenradmaterial auf und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil weisen ein Turbinenschaufelmaterial auf, wobei das Turbinenschaufelmaterial eine höhere Wärmebeständigkeit und eine niedrigere Wärmeausdehnung aufweist als das Turbinenradmaterial.

[0006] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das Turbinenschaufelmaterial ein keramischer Faserverbundwerkstoff ist.

[0007] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das Turbinenradmaterial eine Superlegierung ist.

[0008] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das Turbinenradmaterial eine Superlegierung auf Nickelbasis, eine Superlegierung auf Cobaltbasis oder eine Superlegierung auf Stahlbasis ist.

[0009] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das Turbinenschaufelmaterial weniger dicht als das Turbinenradmaterial ist.

[0010] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung über eine axiale Verbindung, eine Umfangsverbindung, eine Schwalbenschwanzverbindung, eine Nutverbindung, eine Zinkenverbindung, eine Nut-Feder-Verbindung oder eine Kombination daraus abnehmbar mit dem Turbinenradverbunden ist.

[0011] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass die Geometrie des Turbinenrads, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, einen Rand des Turbinenrads definiert.

[0012] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das nicht unterteilte Profil kein Spitzendeckband aufweist.

[0013] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass die Schaufelanordnung ferner einen Prallschutzstreifen umfasst, der an einer Vorderkante des nicht unterteilten Profils platziert ist.

[0014] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass die Schaufelanordnung ferner einen Prallschutzstreifen umfasst, der an einer Hinterkante des nicht unterteilten Profils platziert ist.

[0015] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass die Schaufelanordnung ferner einen Prallschutzstreifen umfasst, der aus Prallschutzstreifenmaterial gefertigt ist, das in der Lage ist, an dem Turbinenschaufelmaterial zu haften.

[0016] In einer weiteren Ausführungsform weist eine Turbinenschaufelanordnung eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und einer einteiligen Plattform auf, wobei die Verbindung eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil, das von der einteiligen Plattform aus radial nach aussen verläuft und ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die kürzer ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad, das eine Aufnahme mit einer Geometrie definiert, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung abnehmbar verbunden ist. Das Turbinenrad weist ein Turbinenradmaterial auf und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil weisen ein Turbinenschaufelmaterial auf, wobei das Turbinenradmaterial eine Superlegierung ist und das Turbinenschaufelmaterial ein keramischer Faserverbundwerkstoff ist.

[0017] In einer weiteren Ausführungsform weist ein Turbinensystem einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt, der so ausgelegt ist, dass er Luft von dem Verdichterabschnitt erhält, und einen Turbinenabschnitt in Fluidverbindung mit dem Brennkammerabschnitt auf, wobei der Turbinenabschnitt ein Leitrad und eine Turbinenschaufelanordnung umfasst. Die Turbinenschaufelanordnung weist eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und einer einteiligen Plattform auf, wobei die Verbindung eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil, das von der einteiligen Plattform aus radial nach aussen verläuft und ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die kürzer ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad, das eine Aufnahme mit einer Geometrie definiert, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung verbunden ist. Das Turbinenrad weist ein Turbinenradmaterial auf und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil weisen ein Turbinenschaufelmaterial auf, wobei das Turbinenschaufelmaterial eine höhere Wärmebeständigkeit und eine niedrigere Wärmeausdehnung aufweist als das Turbinenradmaterial.

[0018] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das Turbinensystem ferner eine Mehrzahl von axial beabstandeten Stufen von Turbinenschaufelanordnungen einschliesslich einer letzten Stufe von Turbinenschaufelanordnungen umfasst.

[0019] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das Profil eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist und ferner mindestens einen Prallschutzstreifen umfasst, der an der Vorderkante und/oder der Hinterkante angebracht ist.

[0020] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass Prallschutzstreifen an den Vorderkanten der Mehrzahl von Turbinenschaufelanordnungen in einer oder mehreren der Mehrzahl von Turbinenstufen angebracht sind.

[0021] In jeder beliebigen zuvor erwähnten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass Prallschutzstreifen an den Hinterkanten der Mehrzahl von Turbinenschaufelanordnungen in einer oder mehreren der Mehrzahl von Turbinenstufen mit Ausnahme der letzten Stufe angebracht sind.

[0022] Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden ausführlicheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich, die beispielhaft die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0023] <tb>Fig. 1<SEP>ist eine vereinfachte Darstellung eines Turbinensystems mit einer Turbinenschaufelanordnung gemäss einer Ausführungsform der Offenbarung. <tb>Fig. 2<SEP>ist eine perspektivische Darstellung einer Turbinenschaufelanordnung mit einem nicht unterteilten Profil in einer Turbinenschaufel gemäss einer Ausführungsform der Offenbarung. <tb>Fig. 3<SEP>ist eine Hinteransicht nach vorn einer Turbinenschaufel einer hinteren Stufe (zum Beispiel einer Schaufel zur Verwendung in einer dritten oder vierten Stufe einer vierstufigen Turbine) gemäss einer Ausführungsform der Offenbarung.

[0024] In allen Zeichnungen werden, wenn möglich, dieselben Bezugszeichen für die Darstellung derselben Teile verwendet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0025] Es sind eine Turbinenschaufelanordnung und ein Turbinensystem bereitgestellt. Zusätzlich sind aus der Offenbarung Verfahren zum Montieren und/oder Herstellen derartiger Turbinenschaufelanordnungen und Turbinensysteme ersichtlich. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, beispielsweise im Vergleich zu ähnlichen Konzepten, bei denen ein oder mehrere der hier offenbarten Merkmale nicht enthalten sind, werden die Gesamtbetriebs- und Gesamtwartungskosten gesenkt, wird die Dauer von Ausfallzeiten für Reparaturen verkürzt, werden weitere zweckmässige Vorteile ermöglicht, können grössere oder kleinere Turbinen und/oder Turbinenschaufeln verwendet werden, kann eine Turbinenschaufelanordnung höheren Temperaturen ausgesetzt werden, können Eigenschaften in einem bestimmten Abschnitt einer Turbinenschaufelanordnung zusätzlichen Kräften standhalten, können zusätzliche Materialien für Abschnitte von Turbinenschaufelanordnungen verwendet werden, oder eine Kombination daraus.

[0026] Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Turbinensystems 10, beispielsweise ein Gasturbinensystem, ein Energieerzeugungssystem, jedes beliebige andere geeignete System, bei dem Laufschaufeln/Schaufeln verwendet werden, oder eine Kombination daraus. Der Begriff «Laufschaufel» wird hier austauschbar mit dem Begriff «Schaufel» verwendet. Eine geeignete Turbinenschaufel ist in Fig. 3 dargestellt, die eine Schaufel zur Verwendung in einer hinteren Stufe einer Turbine (beispielsweise eine dritte oder vierte Stufe einer vierstufigen Turbine) veranschaulicht. In einer Ausführungsform weist das System 10 einen Einlassabschnitt 12, einen Verdichterabschnitt 14 stromabwärts des Einlassabschnitts 12, einen Brennkammerabschnitt 16, der stromabwärts des Einlassabschnitts 12 angekoppelt ist, einen Turbinenabschnitt 18, der stromabwärts des Brennkammerabschnitts 16 angekoppelt ist, und einen Auslassabschnitt 20 auf. Der Turbinenabschnitt 18 ist über eine Läuferwelle 22 antriebsmässig mit dem Verdichterabschnitt 14 gekoppelt. Der Brennkammerabschnitt 16 weist eine Mehrzahl von Brennkammern 24 auf und ist so an den Verdichterabschnitt 14 angekoppelt, dass jede der Brennkammern 24 über ein Fluid mit dem Verdichterabschnitt 14 in Verbindung steht. Mit jeder der Brennkammern 24 ist eine Brennstoffdüsenanordnung 26 verbunden. Der Turbinenabschnitt 18 ist drehbar an den Verdichterabschnitt 14 und an eine Last 28 angekoppelt, beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, einen elektrischen Generator und/oder eine mechanische Antriebsanwendung. Der Verdichterabschnitt 14 und/oder der Turbinenabschnitt 18 weist bzw. weisen mindestens eine Laufschaufel oder Turbinenschaufel 30 auf, die mit der Läuferwelle 22 gekoppelt ist.

[0027] Während des Betriebs leitet der Einlassabschnitt 12 Luft in Richtung des Verdichterabschnitts 14. Der Verdichterabschnitt 14 verdichtet die Zuluft auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur und führt die verdichtete Luft in Richtung des Brennkammerabschnitts 16 ab. Die verdichtete Luft wird mit Kraftstoff vermischt und gezündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die zu dem Turbinenabschnitt 18 strömen, der den Verdichterabschnitt 14 und/oder die Last 28 antreibt. Insbesondere wird zumindest ein Teil der verdichteten Luft der Kraftstoffdüsenanordnung 26 zugeführt. Kraftstoff wird zu der Kraftstoffdüsenanordnung 26 geleitet. Der Kraftstoff wird stromabwärts der Kraftstoffdüsenanordnung 26 in dem Brennkammerabschnitt 16 mit der Luft gemischt und gezündet. Es werden Verbrennungsgase erzeugt und zu dem Turbinenabschnitt 18 geleitet. Wärmeenergie des Gasstroms wird in dem Turbinenabschnitt 18 in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Abgase strömen aus dem Turbinenabschnitt 18 und strömen durch den Auslassabschnitt 20 in die Umgebungsluft.

[0028] Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung einer Turbinenschaufelanordnung 200 mit der Turbinenschaufel 30, die bei dem System 10 verwendet werden kann. Die Turbinenschaufel 30 weist ein Profil 110 auf. Das Profil 110 ist nicht unterteilt (weist beispielsweise keinen getrennten Spitzenabschnitt und Fussabschnitt auf und/oder stellt ein einziges durchgehendes Material dar, wie in Fig. 2 dargestellt ist). Die Turbinenschaufel 30 weist eine Druckseite 102 und eine Saugseite 103 auf, die an einer Vorderkante 104 und einer Hinterkante 106 miteinander verbunden sind. Die Druckseite 102 weist eine ganz allgemein konkave Geometrie auf und die Saugseite 103 weist eine ganz allgemein konvexe Geometrie auf. Die Turbinenschaufel 30 weist eine Verbindung 108 und/oder beliebige andere geeignete Merkmale wie eine Plattform 112 auf, die zwischen der Verbindung 108 und dem Profil 110 verläuft.

[0029] Die Verbindung 108, die die Schaufel 30 mit dem Rad 105 verbindet, ist ein Schwalbenschwanz, weist mehrere Vorsprünge auf, weist einen einzelnen Vorsprung auf, ist ein Abschnitt einer Blisk, ist einteilig mit dem Profil 110 (beispielsweise derart, dass in der Turbinenschaufel 30, wo die Plattform 112 in das Profil 110 übergeht, keine Nähte oder Uneinheitlichkeiten vorhanden sind), ist ein weiterer geeigneter Mechanismus oder eine weitere geeignete Vorrichtung zum Sichern der Turbinenschaufel 30 oder ist eine Kombination daraus. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien in den Bauteilen (beispielsweise ein Rad 105 und das Profil 110) geben die Verbindungsart zwischen den jeweiligen Bauteilen vor. Wenn die Materialien beispielsweise einen beinahe identischen oder identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen weiten Temperaturbereich aufweisen, kann die Verbindung 108 zwischen den Bauteilen entweder eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung oder mit mehreren Vorsprüngen sein. Eine Verbindung mit mehreren Vorsprüngen kann unter bestimmten Umständen bevorzugt sein. Im Gegensatz dazu kann, wenn die Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung zwischen den Bauteilen bevorzugt sein.

[0030] In einer Ausführungsform ist die Turbinenschaufel 30 mit dem Rad 105 über die Verbindung 108 verbunden und verläuft von dem Rad 105 aus radial nach aussen. Die Verbindung 108 weist eine Geometrie mit einem einzelnen Vorsprung auf, die einer jeweiligen Aufnahme in dem Rad 105 entspricht, und kann mit jedem geeigneten Verfahren abnehmbar oder dauerhaft mit dem Rad 105 verbunden werden. Ein geeignetes Verfahren umfasst die abnehmbare Verbindung der Verbindung 108 mit dem Rad 105 über eine axiale Verbindung oder eine Umfangsverbindung. Ein weiteres geeignetes Verfahren umfasst die abnehmbare Verbindung der Verbindung 108 mit dem Rad 105 über eine Schwalbenschwanzverbindung, eine Nutverbindung, eine Zinkenverbindung, eine Nut-Feder-Verbindung oder eine Kombination daraus.

[0031] In einer Ausführungsform ist das Rad 105 ein Turbinenrad mit einer Mehrzahl von Aufnahmen mit einer Geometrie entsprechend den Verbindungen 108 mit einem einzelnen Vorsprung einer entsprechenden Mehrzahl von Turbinenschaufeln 30, und die Geometrie des Rads 105 definiert einen Rand des Turbinenrads. In einer alternativen Ausführungsform (Fig. 1 ) sind die Turbinenschaufeln 30 über die Verbindungen 108 unmittelbar mit der Läuferwelle 22 verbunden und verlaufen von der Läuferwelle 22 aus radial nach aussen.

[0032] In einer Ausführungsform weist die Verbindung 108 eine axiale Verbindungslänge 114 auf, die das Sichern vereinfacht. In einer Ausführungsform verläuft die Plattform 112 von der Verbindung 108 aus radial nach aussen und weist eine Plattformlänge 117 auf, die der axialen Verbindungslänge 114 entspricht oder in etwa entspricht (wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist).

[0033] In einer Ausführungsform verläuft das Profil 110 von der Verbindung 108 aus radial nach aussen, verläuft von einer Plattformaussenflache der Plattform 112 aus radial nach aussen, weist eine Ausgangsprofillänge 119 auf, die ungefähr der axialen Verbindungslänge 114 entspricht, und/oder nimmt in der axialen Länge bis zu einer Spitzenendenlänge 118 an einem Spitzenende 116 der Turbinenschaufel 30 ab, sodass die Spitzenendenlänge 118 bei einer Profilansicht von rechts kürzer ist als die axiale Verbindungslänge 114, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Spitzenendenlänge 118 und eine Spitzenbreite können je nach Anwendung der Turbinenschaufel 30 und/oder des Systems 10 verändert werden. Das Profil 110 weist gemessen von der Plattform 112 zum Spitzenende 116 eine erste oder radiale Länge 120 auf, beispielsweise zur Ermöglichung einer verbesserten Leistung der Turbinenschaufel 30. Die Profillänge 120 kann je nach Anwendung der Turbinenschaufel 30 oder des Systems 10 verändert werden. In einer Ausführungsform weist das Profil 110 eine Profilbreite auf, die so bemessen ist, dass die Sicherung an dem Rad 105 erleichtert wird.

[0034] Das Profil 110 ist ein nicht unterteilter Abschnitt der Turbinenschaufel 30. In einer Ausführungsform weist das Profil 110, wie in Fig. 2 dargestellt ist, einen ersten Bereich oder den Spitzenbereich 122 auf, der einteilig mit einem zweiten Bereich oder dem Fussbereich 124 ausgebildet ist. Der Fussbereich 124 befindet sich proximal zum Rad 105 oder der Läuferwelle 22 (siehe Fig. 1 ). Der Spitzenbereich 122 befindet sich distal vom Rad 105 oder der Läuferwelle 22 (siehe Fig. 1 ).

[0035] Der Spitzenbereich 122 weist eine Spitzenbereichslänge 126 auf, die mit der Turbinenschaufellänge 120 beispielsweise über einen relativen Anteil an der Turbinenschaufellänge 120 vergleichbar ist, beispielsweise ungefähr 25 Prozent, ungefähr 40 Prozent, mehr als 40 Prozent, weniger als ungefähr 50 Prozent, ungefähr 50 Prozent, mehr als ungefähr 50 Prozent, ungefähr 60 Prozent, zwischen ungefähr 40 Prozent und ungefähr 60 Prozent, ungefähr 75 Prozent, zwischen ungefähr 25 Prozent und ungefähr 75 Prozent, zwischen ungefähr 40 Prozent und ungefähr 75 Prozent, oder jede geeignete Kombination, Unterkombination, jeder geeignete Bereich oder Teilbereich darin. Die Spitzenbereichslänge 126 verläuft bis zu einem mittleren Bereich des Profils 110 mit einer axialen Länge 129, die bei einer Profilansicht von rechts länger als die Spitzenendenlänge 118 und kürzer als die Ausgangsprofillänge 119 ist, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

[0036] Das Rad 105, die Verbindung 108 und/oder das Profil 110 weisen jede geeignete Kombination aus Materialien auf, die den Betriebsanforderungen an das System 10 standhalten kann und/oder in Verbindung mit den Merkmalen der Turbinenschaufel 30 funktioniert. Die Materialien sind ähnliche Materialien, dieselben Materialien oder unterschiedliche Materialien, die so ausgewählt sind, dass ein Gleichgewicht zwischen Überlegungen zu Gewicht und Kosten und der Leistung bei höheren Temperaturen und/oder Drehzahlen hergestellt wird.

[0037] Zu geeigneten Materialien für die Verbindung 108 und das Profil 110 gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, keramische Faserverbundwerkstoffe, Titanaluminid, Materialien mit einer ähnlichen oder niedrigeren Wärmeausdehnung als Materialien in dem Rad 105, Materialien mit einer ähnlichen oder höheren Wärmebeständigkeit als Materialien in dem Rad 105 (beispielsweise zur Berücksichtigung, dass der Spitzenbereich 122 höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt ist), Materialien mit einer ähnlichen oder niedrigeren Dichte als Materialien in dem Rad 105 (die beispielsweise zu einer niedrigeren rotierenden Masse in der Turbinenschaufel 30 führt) oder eine Kombination daraus. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel enthalten die Verbindung 108 und das Profil 110 einen keramischen Faserverbundwerkstoff.

[0038] Der Begriff «keramischer Faserverbundwerkstoff» umfasst hier, ohne darauf beschränkt zu sein, kohlefaserverstärkten Kohlenstoff (C/C), kohlefaserverstärktes Siliziumcarbid (C/SiC) und siliziumcarbidfaserverstärktes Siliziumcarbid (SiC/SiC). In einer Ausführungsform weist der keramische Faserverbundwerkstoff bessere Dehnungs-, Bruchzähigkeits-, Temperaturwechseleigenschaften, Eigenschaften hinsichtlich der dynamischen Belastbarkeit und anisotrope Eigenschaften im Vergleich zu einer (nicht verstärkten) monolithischen keramischen Struktur auf.

[0039] Der Begriff «Titanaluminid» umfasst hier, ohne darauf beschränkt zu sein, übliche gewichtsbezogene Zusammensetzungen mit etwa 45% Ti und etwa 50% Al (TiAl) und/oder einem Molverhältnis von ungefähr 1 Mol Ti zu ungefähr 1 Mol Al, TiAI2(beispielsweise mit einem Molverhältnis von ungefähr 1 Mol Ti zu ungefähr 2 Mol Al), TiAl3(beispielsweise mit einem Molverhältnis von ungefähr 1 Mol Ti zu ungefähr 3 Mol Al), Ti3Al (beispielsweise mit einem Molverhältnis von ungefähr 3 Mol Ti zu ungefähr 1 Mol Al) oder andere geeignete Mischungen daraus.

[0040] Zu geeigneten Materialien für das Rad 105 gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Superlegierungen auf Cobaltbasis, Superlegierungen auf Nickelbasis, Superlegierungen auf Stahlbasis, Materialien mit einer ähnlichen oder höheren Wärmeausdehnung als Materialien in dem Profil 110, Materialien mit einer ähnlichen oder niedrigeren Wärmebeständigkeit als Materialien in dem Profil 110, Materialien mit einer ähnlichen oder höheren Dichte als Materialien in dem Profil 110 oder eine Kombination daraus.

[0041] Der Begriff «Superlegierung» umfasst hier, ohne darauf beschränkt zu sein, Legierungen auf Nickelbasis, Legierungen auf Cobaltbasis oder Legierungen auf Stahlbasis. Ein typisches Superlegierungsmaterial auf Nickelbasis, das unter dem Handelsnamen INCONEL<®>718 von Special Metal Corporation aus New Hartford, NY, verkauft wird, weist eine gewichtsbezogene Zusammensetzung von ungefähr 50,0 bis 55,0% Ni, ungefähr 17,0 bis 21,0% Cr, ungefähr 4,75 bis 5% Nb, ungefähr 2,8 bis 3,3% Mo, ungefähr 1,0% Co, ungefähr 0,65 bis 1,15% Al, ungefähr 0,35% Mn, ungefähr 0,35% Si, ungefähr 0,2 bis 0,8% Cu, ungefähr 0,3% Ti, ungefähr 0,08% C, ungefähr 0,015% S, ungefähr 0,015% P und ungefähr 0,006% B und als Differenz zu 100% Fe auf. Eine beispielhafte CrMoV-Superlegierungszusammensetzung (auf Basis von Stahl) weist eine Zusammensetzung in Gewichts-% von ungefähr 0,90 bis 1,50% Mo, ungefähr 0,90 bis 1,25% Cr, ungefähr 0,55 bis 0,90% Mn, ungefähr 0,35 bis 0,55% Ni, ungefähr 0,25 bis 0,33% C, 0,20 bis 0,30% V, nicht mehr als ungefähr 0,35% Si, nicht mehr als ungefähr 0,35% Cu, nicht mehr als 0,012% P, nicht mehr als ungefähr 0,012% S, und als Differenz zu 100% Fe und Spurenverunreinigungen auf.

[0042] Bezogen auf Fig. 2 weist die Turbinenschaufel 30 in einer Ausführungsform Prallschutzstreifen 107 an dem Profil 110 auf, die die Schlagzähigkeit des Bereichs erhöhen, an dem sie angebracht sind. Die Prallschutzstreifen 107 können aus einem ähnlichen Material wie das Profil 110 oder einem anderen Material gefertigt sein und/oder können ähnliche Eigenschaften wie das Profil 110 oder andere Eigenschaften besitzen. Die Prallschutzstreifen 107 sind (wie dargestellt) an der Vorderkante 104 der Turbinenschaufel 30, der Hinterkante 106 der Turbinenschaufel 30, an dem Spitzenbereich 122, dem Fussbereich 124 oder einer Kombination daraus platziert. In einer Ausführungsform befinden sich die Prallschutzstreifen 107 an der Vorderkante 104 der Spitzenbereiche 122 an jeder beliebigen und/oder allen Turbinenstufen, wohingegen sich die Prallschutzstreifen 107 an der Hinterkante 106 der Spitzenbereiche 122 an jeder beliebigen und/oder allen Turbinenstufen mit Ausnahme der letzten Stufe befinden.

[0043] Die Prallschutzstreifen 107 sind mit einem oder mehreren chemischen und/oder mechanischen Verfahren, die beispielsweise auf physikalisch basierten Verfahren (wie Geometrie) und Werkstoffwissenschaftlichen Verfahren (beispielsweise durch verschiedene Herstellungsschritte), angebracht. In einer Ausführungsform sind die Prallschutzstreifen 107 beispielsweise mittels In-Situ-Materialverarbeitung wie Giessen, In-Situ-Extrusion, In-Situ-Schmieden, weiteren geeigneten Verfahren oder einer Kombination daraus chemisch angebracht. Zusätzlich oder alternativ werden die Prallschutzstreifen 107 in einer Ausführungsform chemisch über Materialnachbearbeitungsausgangsverfahren, beispielsweise Diffusionsverbinden, Hartlöten, additive Fertigung, weitere geeignete Verfahren oder eine Kombination daraus angebracht. In einer weiteren Ausführungsform sind die Prallschutzstreifen 107 über Klebstoff, Nieten, Schaftstifte, Knöpfe oder Halteverbindungen (beispielsweise eine Nutverbindung, eine Zinkenverbindung und/oder eine Nut-Feder-Verbindung), weitere geeignete Verfahren oder eine Kombination daraus mechanisch angebracht.

[0044] Die Erfindung ist zwar bezogen auf ein oder mehrere Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch versteht der Fachmann, dass ohne Abweichung vom Geltungsbereich der Erfindung verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Entsprechungen Elemente davon ersetzen können. Zusätzlich können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Geltungsbereich abzuweichen. Die Erfindung soll deshalb nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt sein, die als für diese Erfindung beste in Erwägung gezogene Ausführungsform beschrieben ist, sondern soll sämtliche Ausführungsformen enthalten, die in den Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Zusätzlich sind alle in der ausführlichen Beschreibung genannten Zahlenwerte so auszulegen, als wären sowohl der genaue als auch ungefähre Wert ausdrücklich genannt.

[0045] Es sind eine Turbinenschaufelanordnung und ein Turbinensystem offenbart. Die Turbinenschaufelanordnung weist eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und einer einteiligen Plattform auf, wobei die Verbindung eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil, das einen Fussabschnitt und einen Spitzenabschnitt, der einteilig mit dem Fussabschnitt ist, aufweist, wobei der Spitzenabschnitt ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die kürzer ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad, das eine Aufnahme mit einer Geometrie aufweist, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung verbunden ist. Das Turbinenrad weist ein Turbinenradmaterial auf und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil weisen ein Turbinenschaufelmaterial auf, wobei das Turbinenschaufelmaterial eine höhere Wärmebeständigkeit und eine niedrigere Wärmeausdehnung aufweist als das Turbinenradmaterial.

Claims (10)

1. Turbinenschaufelanordnung, aufweisend: eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und einer einteiligen Plattform, wobei die Verbindung eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil, das von der einteiligen Plattform aus radial nach aussen verläuft und einen Fussbereich und einen Spitzenbereich, der einteilig mit dem Fussbereich ist, aufweist, wobei der Spitzenbereich ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die kürzer ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad, das eine Aufnahme mit einer Geometrie aufweist, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung verbunden ist; wobei das Turbinenrad ein Turbinenradmaterial aufweist und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil ein Turbinenschaufelmaterial aufweisen, wobei das Turbinenschaufelmaterial eine höhere Wärmebeständigkeit und eine niedrigere Wärmeausdehnung aufweist als das Turbinenradmaterial.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Turbinenschaufelmaterial ein keramischer Faserverbundwerkstoff ist und/oder wobei das Turbinenradmaterial eine Superlegierung oder eine Superlegierung auf Nickelbasis oder eine Superlegierung auf Cobaltbasis oder eine Superlegierung auf Stahlbasis ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Turbinen-Schaufelmaterial weniger dicht als das Turbinenradmaterial ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung über eine axiale Verbindung, eine Umfangsverbindung, eine Schwalbenschwanzverbindung, eine Nutverbindung, eine Zinkenverbindung, eine Nut-Feder-Verbindung oder eine Kombination daraus abnehmbar mit dem Turbinenrad verbunden ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geometrie des Turbinenrads, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, einen Rand des Turbinenrads definiert.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Prallschutzstreifen, der an einer Vorderkante des nicht unterteilten Profils platziert ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Prallschutzstreifen, der an einer Hinterkante des nicht unterteilten Profils platziert ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Prallschutzstreifen, der aus Prallschutzstreifenmaterial gefertigt ist, das in der Lage ist, an dem Turbinenschaufelmaterial zu haften.

9. Turbinenschaufelanordnung, umfassend: eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und einer einteiligen Plattform, wobei die Verbindung eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil, das von der einteiligen Plattform aus radial nach aussen verläuft und ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die kürzer ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad, das eine Aufnahme mit einer Geometrie definiert, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung abnehmbar verbunden ist; wobei das Turbinenrad ein Turbinenradmaterial aufweist und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil ein Turbinenschaufelmaterial aufweisen, wobei das Turbinenradmaterial eine Superlegierung ist und das Turbinenschaufelmaterial ein keramischer Faserverbundwerkstoff ist.

10. Gasturbinensystem, umfassend: einen Verdichterabschnitt; einen Brennkammerabschnitt, der so eingerichtet ist, dass er Luft von dem Verdichterabschnitt erhält; und einen Turbinenabschnitt in Fluidverbindung mit dem Brennkammerabschnitt, wobei der Turbinenabschnitt ein Leitrad und eine Turbinenschaufelanordnung umfasst, wobei die Turbinenschaufelanordnung aufweist: eine Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und einer einteiligen Plattform, wobei die Verbindung eine erste axiale Länge aufweist; ein nicht unterteiltes Profil, das von der einteiligen Plattform aus radial nach aussen verläuft und ein Spitzenende mit einer zweiten axialen Länge aufweist, die länger ist als die erste axiale Länge; und ein Turbinenrad, das eine Aufnahme mit einer Geometrie definiert, die der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung entspricht, und mit der Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung verbunden ist; wobei das Turbinenrad ein Turbinenradmaterial aufweist und die Verbindung mit einem einzelnen Vorsprung und das nicht unterteilte Profil ein Turbinenschaufelmaterial aufweisen, wobei das Turbinenschaufelmaterial eine höhere Wärmebeständigkeit und eine niedrigere Wärmeausdehnung aufweist als das Turbinenradmaterial.