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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Laufschaufel für eine Rotationsmaschine, vorzugsweise für eine Gasturbinenstufe,
durch die Heissgase hindurchströmen,
die ihre frei werdende Expansionsenergie über die drehbeweglich längs einer
Rotorwelle angeordneten Laufschaufeln in Rotationsenergie umwandeln.
Die Ausbildung der in axial zur Rotoranordnung längs einzelner Laufschaufelreihen
angeordneter Laufschaufeln wird unter Berücksichtigung strömungsmechanischer
Aspekte sowie aufgrund der thermischen und mechanischen auf die
Laufschaufeln einwirkenden Belastungen unter Beachtung materialspezifischer
Belastungsgrenzen vorgenommen. Je nach Dimensionierung der Rotationsmaschine
sowie der Position der Laufschaufeln längs zur Rotoranordnung sind
die Laufschaufeln hinsichtlich ihres Laufschaufelblattprofils, ihrer
radialen zur Rotorachse erstreckenden Laufschaufelblattlänge sowie
hinsichtlich ihrer im Inneren der Laufschaufeln vorgesehenen Kühlkanalsysteme
auszubilden. Gerade die Ausbildung von innerhalb der Laufschaufelblätter vorzusehenden
Kühlkanalsystemen
stellt an die Herstellung derartiger Laufschaufeln, die zumeist im
Wege eines Giessverfahrens hergestellt werden, erhebliche Anforderungen.
Kühlkanäle stellen
Hohlräume
innerhalb einer Laufschaufel dar, die mit Hilfe von geeignet geformten
Kernwerkzeugen im Wege des Giessverfahrens herstellbar sind. Zusätzliche Schwierigkeiten
erwachsen für
die Herstellung geeigneter Kernwerkzeuge aber insbesondere für den Giessprozess
selbst, wenn innerhalb eines Kühlkanals kleinere
Strukturen mit Strukturdimensionen im Millimeterbereich vorzusehen
sind, durch die gezielt Strömungswirbel
in die Kühlströmung induziert
werden sollen, die zumeist als Kühlluftströmung das Kühlkanalsystem
passiert.
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Stand der Technik
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Unter
der Vielzahl bekannter Laufschaufeln treten beim Betrieb bestimmter
Laufschaufeltypen Festigkeitsprobleme auf, die auf Strukturrisse
zurückzuführen sind,
die sich im Bereich der vorstehend beschriebenen innerhalb der Kühlströmung Strömungswirbel
induzierenden Strukturen einstellen. Insbesondere handelt es sich
bei derartigen Strukturen um stiftartig ausgebildete Verbindungsstege,
die zwischen zwei sich gegenüberliegenden Kühlkanalinnenwänden eingebracht
sind. Die sich während
des Betriebes oder aber bereits während der Herstellung im Rahmen
des Giessprozesses und insbesondere während der Abkühlphase
des noch heissen Giessgutes ausbildenden Risse stellen Schwachstellen
dar, die zur Rissausbreitung und letztlich zur Strukturschwächung der
gesamten Laufschaufel führen
können.
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Besonders
betroffen von derartigen Rissbildungen sind Wirbel erzeugende Strukturen,
die innerhalb von Laufschaufeln eingearbeitet sind, wie sie im Weiteren
unter Bezugnahme auf die 2a und b näher beschrieben
werden.
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2a zeigt eine schematisierte Seitenansicht
einer Laufschaufel 1, die bezüglich einer nicht dargestellten
Rotoranordnung über
einen radial innenliegenden Schaufelfuss 2, ein radial
innenliegendes Deckband 3, ein sich radialwärts erstreckendes Schaufelblatt 4 sowie
radial aussenliegend über
ein äußeres Deckband 5 verfügt. Das
Laufschaufelblatt 4 weist eine Laufschaufelvorderkante 6 auf,
an die sich jeweils zwei wenigstens einen innenliegenden Kühlkanal
(nicht in 2a dargestellt) begrenzende
Laufschaufelseitenwände 7, 8 anschliessen.
Im dargestellten Fall der 2a ist die
der Druckseite zugewandte Laufschaufelseitenwand 7 ersichtlich,
wohingegen die auf der Saugseite verlaufende Laufschaufelseitenwand 8 rückwärtig zur
Bilddarstellung gemäss 2a angeordnet ist. In einem radial aussenliegenden
Bereich der Laufschaufelhinterkante 9 ist eine Strömungsaustrittsöffnung 10 zu
sehen, durch die in das Innere der Laufschaufel eingespeiste Kühlluft ausströmt.
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In 2b ist ein Längsschnitt durch die Laufschaufel 1 dargestellt,
aus dem die innere Struktur des Kühlkanalsystems hervorgeht,
die von beiden Laufschaufelseitenwänden 7 und 8 begrenzt
sind. Durch die Schnittdarstellung gemäss 2b ist
die dem Kühlkanalsystem
zugewandte Innenseite der saugseitig zugewandten Laufschaufelseitenwand 8 entnehmbar.
Sämtliche
der 2b entnehmbaren schraffierten Bereiche stellen
das Kühlkanalsystem begrenzende
Wandungen dar, die jeweils mit beiden Laufschaufelseitenwänden 7, 8 verbunden
sind. Die Kühllufteinspeisung
erfolgt radial innenliegend durch jeweils zwei Kühlluftzuleitungen 11,
wodurch sich eine durch die Pfeildarstellungen längs der einzelnen Kühlkanäle 12 einstellende
Kühlluftströmung ergibt. Quer
zur Strömungsrichtung
längs der
einzelnen Kühlkanäle 12 sind
stegartig ausgebildete, wirbelbildende Strukturen 13 vorgesehen,
die entweder mit der Laufschaufelseitenwand 7 oder 8 innwandig
verbunden sind, so dass die Kühlluftströmung die
entsprechenden Strukturen 13 über- bzw. umströmen kann.
Kurz vor Austritt der Kühlluftströmung durch
die Strömungsaustrittsöffnung 10 befinden
sich weitere wirbelerzeugende Strukturen 14, die jeweils
als lokale stiftartige Verbindungen zwischen den sich gegenüberliegenden
Innenwänden
der Laufschaufelseitenwände 7 und 8 ausgebildet
sind. Eine diesbezügliche Querschnittsdarstellung
ist in 1a dargestellt, die den Querschnitt
durch das Laufschaufelblatt an der Stelle der stiftartigen wirbelbildenden
Strukturen 14 zeigt. In 1a grenzt
die druckseitig zugewandte Laufschaufelseitenwand 7 sowie
die saugseitig zugewandte Laufschaufelseitenwand 8 den
innenliegenden Strömungskanal 12 ein,
der aufgrund der frei endenden und gegenseitig beabstandeten Laufschaufelseitenwandendbereichen über die
Strömungsaustrittsöffnung 10 frei
mündet.
Die stiftartigen Verbindungen 14 vermögen die die Verbindungen umströmende Kühlluftströmung effektiv
zu verwirbeln, wodurch der Wärmeübergang
zwischen Kühlluftströmung und
Laufschaufelseitenwänden 7, 8 verbessert wird.
Darüber
hinaus tragen sie auch zur Beabstandung beider Laufschaufelseitenwandendbereiche
im Bereich der Strömungsaustrittsöffnung 10 bei.
Herstellungsbedingt sowie auch betriebsbedingt stellt sich jedoch
heraus, dass sich längs
bzw. quer verlaufend zu den Verbindungsstrukturen 14 unkontrollierte Risse
bilden, durch die das Laufschaufelblatt 1 in diesem Bereich
in unkontrollierter Weise strukturgeschwächt wird. Zudem ist nicht auszuschliessen, dass
ausgehend von den sich innerhalb der Verbindungsstrukturen 14 einstellenden
Rissen weiterführende
Rissbildungen ausgehen. Ein mögliches
Weglassen der Verbindungsstrukturen 14 würde einerseits
zu einer erheblich verschlechterten Kühlwirkung und andererseits
zu einer mechanischen Schwächung
der sich gegenüberliegenden
Laufschaufelseitenwänden
im Bereich der Strömungsaustrittsöffnung führen. Aufgrund
der starken, an den frei endenden Laufschaufelseitenwandendbereichen
angreifenden Druckkräften
zwischen Saug- und Druckseite könnten
lokale Berührungen
zwischen den Laufschaufelseitenwandendbereiche auftreten, die es
jedoch zu vermeiden gilt.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laufschaufel für eine Gasturbinenstufe
mit einem Laufschaufelblatt, das eine Laufschaufelvorderkante aufweist,
an die zwei jeweils wenigstens einen innenliegenden Kühlkanal
begrenzende Laufschaufelseitenwände
anschliessen, die in einem ersten sich radial erstreckenden Laufschaufelkantenendbereich
zusammenlaufen und die in einem radial äusseren zweiten Laufschaufelkantenendbereich
einen Spalt einschliessen und voneinander beabstandet frei enden,
wobei der Spalt als Strömungsaustrittsöffnung für eine durch
den wenigstens einen Kühlkanal hindurchtretende
Kühlströmung dient
und stromauf zum Spalt die Laufschaufelseitenwände einen innenliegenden Kühlkanalbereich
begrenzen, in dem wirbelerzeugende Elemente vorgesehen sind, derart weiterzubilden,
dass jegliche Rissbildungen innerhalb der wirbelerzeugenden Elemente
ausgeschlossen werden sollen und zugleich dafür gesorgt werden soll, dass
die durch die wirbelbildenden Elemente hervorgerufene Kühlwirkung
nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Schliesslich soll
auch weiterhin gewährleistet
sein, dass die mechanische Festigkeit der Laufschaufelseitenwände im Bereich der
Strömungsaustrittsöffnung erhalten
bleibt und ein Verschliessen ihrer jeweiligen Hinterkanten vermieden
wird.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist eine
Laufschaufel gemäss
den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet,
dass die Wirbel erzeugenden Elemente als lokale Überhöhungen über die jeweils den Kühlkanalbereich
begrenzenden innenliegenden Kühlkanalwandoberflächen ausgebildet
sind. Hierbei sind die Wirbel erzeugenden Elemente jeweils paarweise
einander gegenüberliegend
an den Kühlkanalwandoberflächen angeordnet
und schliessen miteinander einen Engspalt ein.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Idee basiert auf einer bewussten
Trennung der bis anhin beide Innenwände der Laufschaufelseitenwände verbindenden
Wirbel erzeugenden Strukturen bereits während ihrer Herstellung. Der
sich zwischen den sich gegenüberliegenden
Wirbel erzeugenden Elementen ausbildende Engspalt weist typischerweise eine
Spaltbreite zwischen 0,5 bis 2 mm auf. Aus Gründen einer möglichst
optimierten Wirbelerzeugung und einer damit verbundenen optimierten
Kühlwirkung
ist es erstrebenswert den Engspalt möglichst klein auszubilden.
Die minimale Engspaltbreite ist letztlich durch das giesstechnische
Herstellungsverfahren begrenzt, bei dem entsprechende Zwischenkernstrukturen
vorzusehen sind, die die Ausbildung des Engspaltes gewährleisten.
Eben jene Zwischenkernstrukturen verfügen über eine Mindestdicke, die letztlich
die minimale Engspaltbreite definieren. Sollte es im Zuge der Weiterentwicklung
in der Giesstechnik möglich
sein, derartige Engspalte giesstechnisch mit reduzierterer Engspaltbreite
herzustellen, so entspricht dies dem erfinderischen Gedanken, der eine
kontrollierte Trennung eines bis dahin bekannten durchgehenden Verbindungszapfens
bzw. Verbindungsstruktur zum Gegenstand hat.
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Selbstverständlich können in
weiteren Ausführungsbeispielen
die betreffenden Wirbel erzeugenden Strukturen in Form jeweils sich
einander gegenüberliegenden frei
endenden, steg-, rippen- oder zapfenförmigen Elementen ausgebildet
sein, die jeweils einen geringfügig
dimensionierten Engspalt miteinander einschliessen. Ein konkretes
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Massnahme wird
unter Bezugnahme auf die nachfolgende 1b beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
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1a,
b Querschnittsdarstellungen durch den Endbereich einer Laufschaufel
gemäss
Stand der Technik (a) sowie gemäss
einer erfinderischen Ausführungsform
(b),
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2a, b Gesamtdarstellungen einer Laufschaufel.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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In 1b ist gleichsam wie in 1a,
wie eingangs beschrieben, eine Querschnittsdarstellung durch die
Laufschaufelseitenwandendbereiche in der Höhe der Strömungsaustrittsöffnung 10 dargestellt. Die
bis dahin als die Laufschaufelseitenwände 7 und 8 an
ihre jeweiligen Innenwandseite miteinander verbindende, Wirbel erzeugende
Struktur 14 ist lösungsgemäss, vorzugsweise
mittig, durch einen Engspalt 15 aufgetrennt. Das Einbringen
des Endspaltes 15 erfolgt bereits während des Giessverfahrens,
so dass sich jeweils paarweise einander gegenüberliegende Wirbel erzeugende
Elemente 16, 17 ausbilden. Die Wirbel erzeugenden
Elemente 16, 17 weisen vorzugsweise eine scharfkantige
Aussenkontur auf, die sich hinsichtlich der Ausbildung von Strömungswirbel günstig auswirken.
Im dargestellten Fall gemäss 1b sind
die Wirbel erzeugenden Elemente 15, 16 jeweils
als steg- bzw. zapfenartige Überhöhungen über die
jeweiligen Innenwandseiten der Laufschaufelseitenwände 7, 8 ausgebildet.
Selbstverständlich ist
jedoch auch möglich,
die Elemente rippenförmig oder
in anderer Geometrieform auszubilden. Da der Engspalt 15 bevorzugt
so gering wie nur herstellungstechnisch möglich auszubilden ist, vorzugsweise
1 mm oder kleiner, dienen die sich jeweils gegenüberliegenden Wirbel erzeugenden
Elemente 16, 17 nicht nur ausschliesslich zur
Wirbelerzeugung, sondern auch im Falle von längs der Laufschaufelseitenwände sich
ausbildende Vibrationen im Bereich ihrer Endkanten als eine Art
Schwingungsbegrenzer, die ein kurzzeitiges Verschliessen der Strömungsaustrittsöffnung 10 zu
vermeiden helfen. Hierdurch bleibt stets ein Mindestabstand zwischen
beiden Laufschaufelseitenwänden
im Bereich der Strömungsaustrittsöffnung 10 gewährleistet.
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- 1
- Laufschaufel
- 2
- Laufschaufelfuss
- 3
- Inneres
Deckband
- 4
- Laufschaufelblatt
- 5
- Äusseres
Deckband
- 6
- Laufschaufelvorderkante
- 7,
8
- Laufschaufelseitenwände
- 9
- Laufschaufelendbereich
- 10
- Strömungsaustrittsöffnung
- 11
- Kühlluftzuführkanäle
- 12
- Kühlkanal
- 13
- Verwirbelungsrippen
- 14
- Verbindungsstruktur
- 15
- Engspalt
- 16,
17
- Wirbel
erzeugende Elemente