DE102011054253A1

DE102011054253A1 - Gekrümmte Filmkühllöcher für ein Turbinenschaufelblatt und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102011054253A1
Application number: DE201110054253
Authority: DE
Inventors: Jesse Blair Butler; Benjamin Paul Lacy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2012-04-12
Also published as: US20120087803A1; JP2012082830A; CN102444434A; FR2965847A1

Abstract

Eine Turbinenschaufel (10) enthält einen Schaufelblattabschnitt (12) an ihrem einen Ende, einen Fußabschnitt (14) an ihrem entgegengesetzten Ende, einen Plattformabschnitt (16) zwischen dem Schaufelblattabschnitt und dem Fußabschnitt, wenigstens einen inneren Hohlraum (18) innerhalb des Plattformabschnitts oder radial innen von diesem mit wenigstens einem Filmkühlloch (30), das sich zwischen dem wenigstens einen Hohlraum und einer Außenfläche des Plattformabschnitts erstreckt. Das Filmkühlloch (30) ist entlang einer Längendimension des Filmkühllochs gekrümmt.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein die Gasturbinenschaufelblatttechnologie und insbesondere die Filmkühlung des Plattformbereiches eines Schaufelblattes.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Filmkühllöcher werden gewöhnlich in den Plattformabschnitt eines Gasturbinenschaufelblatts unter Verwendung eines herkömmlichen geraden oder linearen Bohrers gebohrt, der unter einem gleichmäßigen flachen Winkel von ungefähr 30° in Bezug auf die Oberfläche der Plattform ausgerichtet wird. Löcher, die unter einem Winkel von mehr als 30° gebohrt werden, haben meist eine Beeinträchtigung der Filmkühlleistung zur Folge. Diese Randbedingung kann zur Schwierigkeit führen, wenn versucht wird, in einen inneren Plattformhohlraum hinein zu bohren. Wenn zum Beispiel Bewegungs-/Spiel- und Lagetoleranzen eines Gießkerns im schlimmsten Fall betrachtet werden, kann die Kante des Bohrers den Zielhohlraum teilweise oder vollständig verfehlen und weiter in den Schaufelschaft- oder -fußabschnitt hineinlaufen. Um dieses Problem zu mildern, muss der Lochwinkel vergrößert werden, was, wie bereits erwähnt, negative Auswirkungen auf das Leistungsverhalten hat, oder das Loch muss näher an die Schlitzseitenwand der Schaufelplattform gerückt werden. Eine Positionierung des Lochs näher an der Schlitzseitenwand kann jedoch die Teilelebensdauer begrenzen, indem der Bereich, der von einer Filmkühlung profitiert, verringert wird und indem Spannungskonzentrationen in einem während der Lebensdauer bereits beanspruchten Bereich eingebracht werden.
Es wäre deshalb erwünscht, eine Methode zu entwickeln, die den bevorzugten Filmkühllochwinkel erhält, jedoch Probleme, die mit herkömmlicher Herstellungsprozessfähigkeit verbunden sind, beseitigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer beispielhaften, jedoch nicht beschränkenden Ausführungsform ergibt die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel, die aufweist: einen Schaufelblattabschnitt an ihrem einen Ende; einen Fußabschnitt an ihrem entgegengesetzten Ende; einen Plattformabschnitt zwischen dem Schaufelblattabschnitt und dem Fußabschnitt; wenigstens einen inneren Hohlraum im Inneren oder radial innen von dem Plattformabschnitt mit wenigstens einem Filmkühlloch, das sich zwischen dem wenigstens einen inneren Hohlraum und einer Außenfläche des Plattformabschnitts erstreckt, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch entlang einer Längendimension des wenigstens einen Filmkühllochs gekrümmt ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Turbinenkomponente, die aufweist: eine Außenfläche, die eingerichtet ist, um durch Filmkühlluft gekühlt zu werden; einen inneren Hohlraum innerhalb der Turbinenkomponente, der eingerichtet ist, um Filmkühlluft zu der Außenfläche zu liefern; und wenigstens ein Filmkühlloch, das sich im Wesentlichen radial zwischen dem inneren Hohlraum und der Außenfläche erstreckt, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch entlang einer Längendimension des wenigstens einen Filmkühllochs gekrümmt ist, wobei sich das wenigstens eine Filmkühlloch an einer Oberfläche der Außenfläche unter einem Winkel von weniger als etwa 30° in Bezug auf die Außenfläche öffnet und wobei sich das wenigstens eine Filmkühlloch an einer Oberfläche des inneren Hohlraums unter einem Winkel von mehr als etwa 30° in Bezug auf die Oberfläche des inneren Hohlraums öffnet.
In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Filmkühllochs in einer Turbinenschaufelplattform, das eine Außenfläche der Plattform mit einem inneren Hohlraum im Inneren oder radial innen von der Plattform verbindet, wobei das Verfahren aufweist: (a) Positionieren eines Filmkühllochaustrittspunkts auf einer Außenfläche der Plattform und eines Filmkühllochseintrittspunkts, der in den inneren Hohlraum einmündet; und (b) Bohren des Filmkühllochs, so dass dieses einer gekrümmten Bahn zwischen dem Filmkühllochaustrittspunkt und dem Filmkühllocheintrittspunkt folgt.
Die Erfindung wird nun in größeren Einzelheiten in Verbindung mit den nachstehend angegebenen Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Perspektivansicht einer Gasturbinenschaufelkonstruktion;
2 zeigt eine durch eine Schaufelplattform aufgenommene Teilschnittansicht unter Veranschaulichung gerader Filmkühllöcher und möglicher Lochpositionierprobleme; und
3 zeigt eine Schnittansicht ähnlich 2, jedoch unter Veranschaulichung eines gekrümmten Filmkühllochs gemäß einer beispielhaften, jedoch nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Indem zunächst auf 1 Bezug genommen wird, ist dort ein Gasturbinenschaufelblatt oder eine Gasturbinenschaufel 10 gemäß einer bekannten Konstruktion veranschaulicht. Die Schaufel enthält einen Schaufelblattabschnitt 12 und einen Schaufelschaft- oder Fußabschnitt 14. An der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblattabschnitt 12 und dem Fußabschnitt 14 ist ein im Wesentlichen flacher Plattformabschnitt (oder einfach eine Plattform) 16 angeordnet. Schlitzseitenwände 17 (eine veranschaulicht) erstrecken sich entlang gegenüberliegender Umfangsränder der Schaufel.
Indem nun auf 2 Bezug genommen wird, wird gewöhnlich ein Kühlmittel, wie beispielsweise Kühldampf oder Kühlluft, von einem Kühlkreislauf einer Schaufel oder Laufschaufel oder von einem Plattformkühlkreislauf (nicht veranschaulicht) zu einem oder mehreren Hohlräumen 18 geliefert, der/die zum Beispiel innerhalb der Plattform 16 oder radial innen von der Plattform 16 gegossen oder maschinell hergestellt worden ist/sind. Das Kühlmittel wird dem Hohlraum 18 durch einen oder mehrere Kanäle oder Bohrungen zugeführt, die die Hohlräume mit einem (nicht veranschaulichten) inneren Schaufelblattkühlkreislauf verbinden. Ein Teil der Kühlluft oder des Kühldampfes kann aus dem einen oder den mehreren Hohlräumen 18 über Filmkühllöcher 20 austreten, die sich zwischen dem Hohlraum 18 und der Plattform 16 auf der Saugseite des Schaufelblattabschnitts 12 erstrecken. Der Dampf oder die Luft, der bzw. die aus den Filmkühllöchern 20 austritt, erzeugt eine Kühlluftschicht auf der Außenfläche der Plattform 16, die die Plattformsaugseite von der Heißgaspfadluft weiter isoliert.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Methode zur Erzeugung der Plattformfilmkühllöcher 20, wobei jedoch zu verstehen ist, dass die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Kühlkreislaufkonstruktion für entweder die Plattform oder das Schaufelblatt (oder irgendeine sonstige Komponente) beschränkt ist, sondern dass sie auf jede beliebige Situation anwendbar ist, in der Filmkühllöcher verwendet werden und in der die Vorteile gekrümmter Filmkühllöcher erzielt werden können.
Indem weiter auf 2 Bezug genommen wird, wird ein typisches Filmkühlloch 20 gerade in die Plattform 16 des Gasturbinenschaufelblattes unter einem flachen Winkel von etwa 30° in Bezug auf die Außenfläche der Plattform gebohrt. Es ist festgestellt worden, dass Löcher, die unter dem Winkel von ungefähr 30° gebohrt werden, die beste Filmkühlleistung ergeben und dass Löcher, die unter einem Winkel von mehr als 30° gebohrt werden, zu einer beeinträchtigten Filmkühlleistung führen. Wie ferner in der mit gestrichelter Linie veranschaulichten Hohlraumkonfiguration 22 in 2 veranschaulicht, kann ein Kernbewegungszustand oder -spielzustand bei der Herstellung der Schaufel in Kombination mit Lagetoleranzen der gebohrten Filmkühllöcher im schlimmsten Fall dazu führen, dass der Bohrer 24 den verlagerten Zielhohlraum 22 teilweise, wenn nicht vollständig verfehlt, so dass sich das Kühlloch an dem Hohlraum vorbei in den Schaft- oder Fußabschnitt 14 der Schaufel hinein fortsetzen kann. Dies wird gewöhnlich berücksichtigt, indem entweder der Filmkühllochwinkel vergrößert oder das Filmkühlloch näher an die Schlitzseitenwand 28 der Schaufelplattform 16 herangeführt wird. Wie ebenfalls bereits erwähnt, ist keine dieser beiden Optionen besonders wünschenswert.
Gemäß einer beispielhaften, jedoch nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung, und indem nun auf 3 Bezug genommen wird, wird ein bogenförmiges bzw. gekrümmtes Filmkühlloch 30, wie es schematisiert durch einen Draht zur elektroerrosiven Bearbeitung (EDM) dargestellt ist, der zur Erzeugung des Lochs verwendet wird, durch die Plattform 16 hindurch bis zu dem Hohlraum 18 (oder 22) gebohrt, wobei die Krümmung des Lochs es ermöglicht, dass die Plattformfilmkühllayouts näher an dem ursprünglichen Konstruktionsplan angeordnet werden können, ohne herstellungsbezogene Gesichtspunkte zu vernachlässigen. Es ist zu beachten, dass das gekrümmte Loch 30 einen gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Krümmungsradius aufweisen kann und/oder dass der Teil des Lochs, der der Plattform am nächsten liegt, gerade und der Rest gekrümmt sein könnte. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Loch 30 derart ausgebildet sein, dass der Lochwinkel steiler wird, wenn sich der Bohrer dem Zielhohlraum 18 (oder 22) nähert, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass das Loch teilweise oder vollständig neben dem Zielkühlhohlraum vorbeilaufen bzw. diesen verpassen wird. In anderen Worten kann das Kühlloch einen flacheren Winkel (von z. B. 30° oder weniger und vorzugsweise etwa 26°) dort haben, wo es auf die Außenfläche der Plattform austritt, als dort, wo es in den Hohlraum 18 (oder 20) innerhalb der Plattform oder radial innen von der Plattform einmündet. Somit kann die Lochaustrittsstelle an der Außenfläche der Plattform 16 unter ungefähr 30° gehalten werden, um dadurch die maximale Kühlleistung zu erhalten, während der Winkel der Kühllocheintrittsstelle in den Hohlraum hinein z. B. größer als 30° und kleiner als 90° in Bezug auf die Oberfläche 32 des inneren Hohlraums sein kann.
In der beispielhaften Ausführungsform können die gekrümmten Filmkühllöcher 30 z. B. unter Verwendung beliebiger herkömmlicher Präzisions- und Hochgeschwindigkeits-Drahterrosionsmaschinen (EDM-Maschinen) gebohrt werden. Geeignete EDM-Maschinen sind z. B. von Aerospace Techniques aus Middletown, Connecticut, erhältlich, wobei jedoch auch andere verfügbar sind.
Weitere Verfahren, um gekrümmte Löcher zu bohren, umfassen STEM-Verfahren (Shaped-Tube Electrochemical Machining, elektrochemisches Röhrenbearbeitungsverfahren), in dem eine gekrümmte Elektrode in das Bauteil eingedreht wird, um ein gekrümmtes Loch gewöhnlich mit konstantem Radius, aber auch mit nicht konstanten Krümmungsradien zu erzeugen. Es können auch andere ECM-Verfahren (elektrochemische Bearbeitungsverfahren) oder Kombinationen von Verfahren verwendet werden, um das Loch entweder in einem einzigen Prozess oder in mehreren Prozessen zu erzeugen.
Es wird erkannt werden, dass viele derartige Filmkühllöcher 30 in einem beliebigen gewünschten Muster erzeugt werden können, um die Schaufelplattform 16 durch Filmkühlung effektiv zu kühlen. Die Löcher 30 können Durchmesser von etwa 0,03'' haben, obwohl der Durchmesser in Abhängigkeit von den speziellen Anwendungen variieren kann.
In einer beispielhaften Ausführungsform werden das Plattformende des Lochs (oder die Lochaustrittsstelle) und das dem inneren Hohlraum benachbarte Ende des Lochs (oder die Locheintrittsstelle) festgelegt, und anschließend wird die EDM- oder ECM-Maschine verwendet, um das Loch mit einem gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Krümmungsradius zu bohren um sicherzustellen, dass das Loch oder der Durchgang wohl in dem Hohlraum 18 (oder 22) endet.
Wie oben erwähnt, ist die Erfindung beim Bohren von Kühllöchern in der Schaufelblattplattform, dem Schaufelblatt selbst oder in jeder sonstigen Komponente anwendbar, in der die Konfiguration und Lage von Filmkühllöchern eine entscheidende Rolle spielen.
Während die Erfindung in Verbindung mit der momentan als die praktikabelste und bevorzugte angesehenen Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern dass sie im Gegenteil dazu vorgesehen ist, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in dem Rahmen und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, mit zu umfassen.
Eine Turbinenschaufel 10 enthält einen Schaufelblattabschnitt 12 an ihrem einen Ende, einen Fußabschnitt 14 an ihrem entgegengesetzten Ende, einen Plattformabschnitt 16 zwischen dem Schaufelblattabschnitt und dem Fußabschnitt, wenigstens einen inneren Hohlraum 18 innerhalb des Plattformabschnitts oder radial innen von diesem mit wenigstens einem Filmkühlloch 30, das sich zwischen dem wenigstens einen Hohlraum und einer Außenfläche des Plattformabschnitts erstreckt. Das Filmkühlloch 30 ist entlang einer Längendimension des Filmkühllochs gekrümmt.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenschaufelblatt oder -schaufel
12: Schaufelblattabschnitt
14: Fußabschnitt
16: Flacher Plattformabschnitt
18: Hohlraum
20: Filmkühllöcher
22: Hohlraumkonfiguration
24: Bohrer
28: Schlitzseitenwand
30: Gekrümmtes Filmkühlloch
32: Innere Hohlraumoberfläche

Claims

Turbinenschaufel (10), die aufweist: einen Schaufelblattabschnitt (12) an ihrem einen Ende; einen Fußabschnitt (14) an ihrem entgegengesetzten Ende; einen Plattformabschnitt (16) zwischen dem Schaufelblattabschnitt und dem Fußabschnitt; wenigstens einen inneren Hohlraum (18) im Inneren oder radial innen von dem Plattformabschnitt mit wenigstens einem Filmkühlloch (30), das sich zwischen dem wenigstens einen inneren Hohlraum (18) und einer Außenfläche des Plattformabschnitts (16) erstreckt, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch (30) entlang einer Längendimension des wenigstens einen Filmkühllochs gekrümmt ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch (30) mit einem ungleichmäßigen Krümmungsradius ausgebildet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch (30) mit einem im Wesentlichen gleichmäßigen Krümmungsradius ausgebildet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch (30) die Außenfläche des Plattformabschnitts (16) unter einem Winkel von weniger als etwa 30° in Bezug auf die Außenfläche schneidet.
Turbinenschaufel nach Anspruch 4, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch (30) den inneren Hohlraum (18) unter einem Winkel von mehr als etwa 30° in Bezug auf eine innere Oberfläche (32) des Hohlraums schneidet.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch (20) an der Plattform (16) unter einem Winkel austritt, der flacher ist als ein Winkel, bei dem das Kühlloch (20) in den inneren Hohlraum (18) eintritt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Filmkühlloch (20) einen Durchmesser von etwa 0,03'' aufweist.
Verfahren zum Erzeugen eines Filmkühllochs (30) in einer Turbinenschaufelplattform (16), das eine Außenfläche der Plattform (16) mit einem inneren Hohlraum (18) im Inneren oder radial innen von der Plattform verbindet, wobei das Verfahren aufweist: a) Positionieren einer Austrittsstelle des Filmkühllochs (30) auf einer Außenfläche der Plattform (16) und einer Filmkühllocheintrittsstelle, die in den inneren Hohlraum (18) einmündet; und b) Bohren des Filmkühllochs (30), so dass dieses einer gekrümmten Bahn zwischen der Filmkühllochaustrittsstelle und der Filmkühllocheintrittsstelle folgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die gekrümmte Bahn auf einem gleichmäßigen Krümmungsradius basiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die gekrümmte Bahn auf einem ungleichmäßigen Krümmungsradius basiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt b) durch elektroerrosive Bearbeitung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt b) durch elektrochemische Bearbeitung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Filmkühlloch (30) einen Durchmesser von 0,03'' aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Filmkühlloch (30) die Außenfläche der Plattform (16) an der Austrittsstelle unter einem Winkel von weniger als etwa 30° in Bezug auf die Außenfläche schneidet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Filmkühlloch (30) eine innere Oberfläche (32) des inneren Hohlraums (18) an der Eintrittsstelle unter einem Winkel von mehr als etwa 30° in Bezug auf die innere Fläche schneidet.