DE102008002906A1

DE102008002906A1 - Gewölbte Spitzenkappe und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102008002906A1
Application number: DE102008002906A
Authority: DE
Inventors: Louis Veltre; William Scott Zemitis; Gary C. Liotta
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-01-02
Also published as: CN101333941A; US20080317597A1; JP2009002339A

Abstract

Eine Schaufel (110) für eine Turbine enthält einen Schwalbenschwanzbefestigungsabschnitt, einen Schaftabschnitt (14), der an einem radial äußeren Ende davon durch eine Plattform definiert ist, und einen Schaufelblattabschnitt (118), der sich radial außerhalb der Plattform erstreckt. Der Schaufelblattabschnitt weist ein radial äußeres Ende auf, das durch eine Spitzenabdeckplatte (120) geschlossen ist, die eine nicht planare Gestalt aufweist, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte reduziert. Ein verwandtes Verfahren zur Reduzierung von Spannung in einer Spitzenabdeckplatte einer Turbinenschaufel beinhaltet die Schritte: Ausbilden eines Schaufelblattabschnitts (118) der Turbinenschaufel mit einem radial äußeren Ende; und Schließen des radial äußeren Endes mit einer Spitzenabdeckplatte, die eine nicht planare Gestalt aufweist, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte (120) reduziert.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft Turbinentechnologie und im Besonderen Abdeckplattenkonstruktionen für Turbinenschaufeln oder Laufschaufeln. Herkömmlich wurden Spitzenabdeckplatten bisher verwendet, um die Spitzen von Schaufelblattabschnitten von Turbinenschaufeln zu bedecken, die innere Serpentinenkühlkreisläufe enthalten. Diese Spitzenabdeckplatten sind aus einem ebenen Grobblech hergestellt und sind gewöhnlich entweder an das radial äußere Ende des Schaufelblattabschnitts der Schaufel geschweißt oder einstückig mit dem Schaufelblattabschnitt gegossen. In beiden Fällen sind die ebenen Spitzenabdeckplatten während des Betriebs hohen Spannungen ausgesetzt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem exemplarischen, jedoch nicht als beschränkend zu wertenden Ausführungsbeispiel ist ein Spitzenabdeckplatteneinsatz dazu eingerichtet, an das radial äußere Ende eines Schaufelblattabschnitts geschweißt zu werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Spitzenabdeckplatte in Gestalt eines umgekehrten Doms ausgebildet, d. h. sie ist (von der Außenseite der Schaufel her gesehen) im Wesentlichen in eine radial nach innen weisende Richtung konkav.
Die Spitzenabdeckplatte ist ferner mit einem peripheren Flansch ausgebildet, der dazu eingerichtet ist, auf einer inneren Schulter in dem Schaufelblattabschnitt zu sitzen, an den die Spitzenabdeckplatte geschweißt ist.
In einem anderen exemplarischen, jedoch nicht als beschränkend zu wertenden Ausführungsbeispiel ist die gewölbte Spitzenabdeckplatte mit dem Schaufelblattabschnitt und weiteren Schaufelblattmerkmalen der Schaufel einstückig gegossen.
Dementsprechend ist in einem Aspekt eine Schaufel für eine Turbine geschaffen, zu der gehören: ein Schwalbenschwanzbefestigungsabschnitt, ein Schaftabschnitt, der an einem radialen äußeren Ende davon durch eine Plattform definiert ist, und ein Schaufelblattabschnitt, der sich von der Plattform radial nach außen erstreckt, wobei der Schaufelblattabschnitt ein radial äußeres Ende aufweist, das durch eine Spitzenabdeckplatte geschlossen ist, wobei eine oder beide der Innen- und Außenseiten der Spitzenabdeckplatte mit einer nicht planaren Gestalt ausgebildet sind, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte reduziert.
In einem weiteren Aspekt ist eine Schaufel für eine Turbine geschaffen, die einen Schwalbenschwanzbefestigungsabschnitt, einen Schaftabschnitt 14, der an einem radial äußeren Ende davon durch eine Plattform definiert ist, und einen Schaufelblattabschnitt 118 enthält, der sich radial außerhalb der Plattform erstreckt, wobei der Schaufelblattabschnitt ein radial äußeres Ende aufweist, das durch eine Spitzenabdeckplatte geschlossen ist, wobei wenigstens eine Innenseite der Spitzenabdeckplatte in eine radial nach innen weisende Richtung gewölbt ist; und wobei die Spitzenabdeckplatte mit einer oder mehreren inneren Rippen ausgebildet ist.
In noch einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Reduzierung von Spannung in einer Spitzenabdeckplatte einer Turbinenschaufel geschaffen, die einen Schaufelblattabschnitt der Turbinenschaufel mit einem radial äußeren Ende aufweist; und Schließen des radial äußeren Endes mit einer Spitzenabdeck platte, die mit einer nicht planaren Gestalt ausgebildet ist, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte reduziert.
Es folgt nun eine ausführlichere Beschreibung mit Bezug auf die im Folgenden ausgewiesenen Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Turbinenschaufel;
2 zeigt ein vergrößertes Detail des Spitzenabdeckplattenabschnitts des in 1 dargestellten Schaufelblatts unter einem geringfügig veränderten Winkel, um die planare Spitzenabdeckplatte sichtbar zu machen;
3 zeigt den in den 1 und 2 veranschaulichten Schaufelblattabschnitt in einer Draufsicht;
4 zeigt eine Schnittansicht längs der Schnittlinie 4-4 nach 3;
5 zeigt eine Draufsicht auf einen Schaufelblattabschnitt einer Schaufel mit einer gewölbten Spitzenabdeckplatte, gemäß einem exemplarischen, jedoch nicht als beschränkend zu wertenden Ausführungsbeispiel der hier offenbarten Technologie;
6 zeigt einen Ausschnitt längs der Schnittlinie 6-6 nach 5;
7 zeigt eine Schnittansicht, die der in 6 gezeigten ähnelt, wobei die gewölbte Spitzenabdeckplatte jedoch als mit dem Schaufelblattabschnitt der Schaufel einstückig gegossen dargestellt ist, gemäß einem weiteren exemplarischen, jedoch nicht als beschränkend zu wertenden Ausführungsbeispiel; und
8 zeigt eine Schnittansicht mit einer ähnlichen Orientierung wie in 6 und 7, wobei jedoch eine weitere erfindungsgemäße Spitzenabdeckplattengestalt dargestellt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Mit Bezug auf 1–4 weist eine herkömmliche intern gekühlte Schaufel 10 für ein Turbinentriebwerk einen Befestigungsschwalbenschwanz 12, einen Schaft oder Schaftabschnitt 14, eine oberhalb des Schafts angeordnete Plattform 16 und einen Schaufelblattabschnitt bzw. ein Schaufelblatt 18 auf, das sich von der Plattform ausgehend radial nach außen erstreckt. Das Schaufelblatt 18 endet an seinem äußersten Ende mit einer Spitzenabdeckplatte 20. Die in den 1–4 veranschaulichte Spitzenabdeckplatte basiert auf einer ebenen Platte, die an den Schaufelblattabschnitt geschweißt ist. Insbesondere, und wie am besten in 4 zu sehen, ist die ebene Spitzenabdeckplatte 20 auf einer inneren peripheren Schulter bzw. einem Flansch 22 in Anlage gebracht und gemäß herkömmlichen Schweißtechniken daran geschweißt. Es ist einsichtig, dass die ebene Spitzenabdeckplatte auch einstückig mit der Schaufel gegossen sein kann, so dass auf Schweißen verzichtet werden kann. (In Phantomdarstellung dargestellte) innere Rippen 24 können verwendet werden, um die Spitzenabdeckplatte nach Bedarf zu verstärken.
Indem nun auf 5 und 6 eingegangen wird, ist eine Spitzenabdeckplatte gemäß einem exemplarischen, jedoch nicht als beschränkend zu wertenden Ausführungsbeispiel dieser Erfindung veranschaulicht. Zum Zwecke der Vereinfachung werden zur Bezeichnung gemeinsamer Komponenten Bezugszeichen, die den in den 1–4 verwendeten entsprechen, in den 5 und 6, jedoch um das Präfix 1 erweitert, verwendet. Dementsprechend weist die Schaufel 110 ein Schaufelblatt 118 mit einer Spitzenabdeckplatte 120 auf, die an dem radial äußersten Ende des Schaufelblattes gesichert ist. Die Spitzenabdeckplatte 120 lässt sich als eine Gestalt eines umgekehrten Doms aufweisend beschreiben, d. h. die Spitzenabdeckplatte ist in eine radial nach innen weisende Richtung (oder von der Außenseite der Schaufel her gesehen) konkav. Mit anderen Worten, die Spitzenabdeckplatte ragt in radialer Richtung in das Innere der Schaufel vor. Die Spitzenabdeckplatte 120 ist mit einem peripheren Flansch oder Rand 26 ausgebildet, der auf einer inneren Schulter bzw. einem Flansch 122 des Schaufelblattes 118 in Anlage gebracht und ebenfalls gemäß herkömmlichen Schweißtechniken daran geschweißt ist.
In einem in 7 veranschaulichten anderen exemplarischen, jedoch nicht als beschränkend zu wertenden Ausführungsbeispiel ist die Spitzenabdeckplatte 220 des Schaufelblatts 218 mit dem Schaufelblattabschnitt einstückig gegossen und weist wie die Spitzenabdeckplatte in 6 die Gestalt eines umgekehrten Doms bzw. eine nach innen hin konkave Gestalt auf.
Indem der (beispielsweise ebenen) Spitzenabdeckplatte eine Gestalt eines umgekehrten Doms verliehen wird, lassen sich Biegespannungen, die gewöhnlich im Zusammenhang mit ebenen Spitzenabdeckplatten auftreten, reduzieren. In manchen Fällen kann die durch die gewölbte Abdeckplatte vorteilhaft erzielte Spannungsreduzierung ausreichen, um den Verzicht auf Rippenschweißnähte zu erlauben, die herkömmlich eingesetzt werden, um die Spitzenabdeckplatten an deren entsprechenden Schaufelblättern zu sichern. Es ist einsichtig, dass die Krümmung der Spitzenabdeckplattenwölbung optimiert ist, um für sämtliche Regionen der Spitzenabdeckplatte, unabhängig von der bedeckten Spannweite, eine Verringerung von Spannungen zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die gewölbte Spitzenabdeckplatte mit be kannten Oberflächenmerkmalen oder -Strukturen (beispielsweise Turbulatoren) versehen sein, um den Wärmetransport zu steigern (siehe beispielsweise die inneren Rippen 122 in 3 und 124 in 5).
8 veranschaulicht ein weiteres exemplarisches, nicht als beschränkend zu wertendes Ausführungsbeispiel, bei dem die Spitzenabdeckplatte 320 der Schaufel 318 an ihrer Außenseite 321 nach innen gekrümmt ist, während sie an ihrer Innenseite 323 eben belassen ist. Auch diese Gestalt ermöglicht die gewünschte Verringerung von Spannungen. Somit ist es klar, dass der Begriff "gewölbt" eine beliebige Anzahl von Formen für eine oder beide der Innen- und Außenseiten einer Schaufelspitzenabdeckplatte (unabhängig davon, ob diese mit dem Schaufelblattabschnitt der Schaufel verschweißt oder einstückig gegossen ist) umfassen soll, z. B. runde, parabolische oder in sonstiger Weise komplexe Formen, die von sich von dem herkömmlichen ebenen Grobblech unterscheiden und Spannung reduzieren.
Die Domgestalt der Spitzenabdeckplatte gestattet außerdem eine Verringerung der Materialanforderungen und/oder der Materialdicke, und es lassen sich die Betriebstemperaturen der Spitzenabdeckplatte ohne Änderung der stofflichen Zusammensetzung steigern. Darüber hinaus ist es ermöglicht, breitere Öffnungen zu bedecken als mit ebenen Konstruktionen, die dasselbe Material mit derselben Dicke verwenden.
Die Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, jedoch soll die Erfindung selbstverständlich nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein, sondern vielmehr vielfältige Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Eine Schaufel 110 für eine Turbine enthält einen Schwalbenschwanzbefestigungsabschnitt, einen Schaftabschnitt 14, der an einem radial äußeren Ende davon durch eine Plattform definiert ist, und einen Schaufelblattabschnitt 118, der sich radial außerhalb der Plattform erstreckt. Der Schaufelblattabschnitt weist ein radial äußeres Ende auf, das durch eine Spitzenabdeckplatte 120 geschlossen ist, die eine nicht planare Gestalt aufweist, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte reduziert. Ein verwandtes Verfahren zur Reduzierung von Spannung in einer Spitzenabdeckplatte einer Turbinenschaufel beinhaltet die Schritte: Ausbilden eines Schaufelblattabschnitts 118 der Turbinenschaufel mit einem radial äußeren Ende; und Schließen des radial äußeren Endes mit einer Spitzenabdeckplatte, die eine nicht planare Gestalt aufweist, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte 120 reduziert.

10, 110: Schaufel
12: Schwalbenschwanz
14: Schaft oder Schaftabschnitt
16: Plattform
18, 118, 218: Schaufelblatt
20, 120, 220, 320: Spitzenabdeckplatte
22, 122: Flansch
24, 123, 124: Rippen
321: Außenseite
323: Innenseite

Claims

Turbinenschaufel 110 mit einem Schwalbenschwanzbefestigungsabschnitt 12, einem Schaftabschnitt 14, der an einem radialen äußeren Ende desselben durch eine Plattform definiert ist, und einem Schaufelblattabschnitt 118, der sich von der Plattform radial nach außen erstreckt, wobei der Schaufelblattabschnitt ein radial äußeres Ende aufweist, das durch eine Spitzenabdeckplatte 120 geschlossen ist, wobei eine oder beide der Innen- und Außenseiten der Spitzenabdeckplatte mit einer nicht planaren Gestalt ausgebildet sind, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte reduziert.
Schaufel nach Anspruch 1, wobei die nicht planare Gestalt in eine radial nach innen weisende Richtung gewölbt ist.
Schaufel nach Anspruch 2, wobei die Spitzenabdeckplatte mit dem Schaufelblattabschnitt einstückig gegossen ist.
Schaufel nach Anspruch 1, wobei die Spitzenabdeckplatte an den Schaufelblattabschnitt geschweißt ist.
Schaufel nach Anspruch 4, wobei die Spitzenabdeckplatte mit einem peripheren Flansch 122 ausgebildet ist, der auf einer in dem Schaufelblattabschnitt ausgebildeten Schulter sitzt.
Schaufel nach Anspruch 1, wobei die Spitzenabdeckplatte mit einer oder mehreren inneren Rippen 123 ausgebildet ist.
Verfahren zur Reduzierung von Spannung in einer Spitzenabdeckplatte einer Turbinenschaufel, mit den Schritten: Ausbilden eines Schaufelblattabschnitts 118 der Turbinenschaufel mit einem radial äußeren Ende; und Schließen des radial äußeren Endes mit einer Spitzenabdeckplatte, die eine nicht planare Gestalt aufweist, die im Betrieb Spannung in der Spitzenabdeckplatte 120 reduziert.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Spitzenabdeckplatte 120 mit einer oder mehreren inneren Rippen 123 ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Innen- und Außenseiten der Spitzenabdeckplatte 120 in eine radial nach innen weisende Richtung gewölbt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Außenseite der Spitzenabdeckplatte 120 in eine radial nach innen weisende Richtung gewölbt wird.