DE102011121634A1 - Turbinenschaufel - Google Patents
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Abstract
Description
- ANWENDUNGSGEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Prozess zum Herstellen einer derartigen Turbinenschaufel.
- STAND DER TECHNIK
- Turbinenschaufeln sind den sehr hohen Temperaturen des die Turbine antreibenden heißen Fluids ausgesetzt. Um eine Beschädigung der Blätter aufgrund der hohen Temperaturen zu verhindern und um eine vernünftige Lebensdauer der Turbine sicherzustellen, werden Turbinenschaufeln oftmals durch ein Kühlmedium extern und intern gekühlt, in der Regel unter Verwendung von von dem Kompressor der Gasturbine abgezapfter Kühlluft. Eine intere Kühlung der Turbinenschaufel wird durch verschiedene Passagen innerhalb der Schaufel zwischen deren Druckseitenwand und deren Saugseitenwand realisiert. Die Passagen erstrecken sich in der Regel über die Spannbreite von dem Fuß der Schaufel bis zu ihrer Spitze. Einige der Passagen bestehen aus einer einzelnen Passage mit einer Austrittsöffnung nahe der Schaufelspitze und/oder mehreren Filmkühlungslöchern an der Kante oder an der Seitenwand der Schaufel. Andere Passagen verlaufen serpentinenförmig durch das Schaufelinnerere und gestatten es dem Kühlfluid beispielsweise, von dem Fuß zu der Spitze zu strömen, dort nach einer 180°-Kehre zurück zum Fuß zu strömen, und von dort nach einer weiteren 180°-Kehre wieder zu der Spitzezurückzukehren, wo es schließlich durch Austrittsöffnungen oder Filmkühlungslöcher austritt. Gekrümmte Kühlpassagen dieser Art sind beispielsweise aus
EP 670953 - Eine typische Schaufel nach dem Stand der Technik umfasst mehrere interne Passagen, die sich zwischen dem Fußbereich und der Spitze radial nach innen und außen erstrecken. Eine erste interne Passage erstreckt sich von einer Eintrittsöffnung im Fußbereich radial nach außen zur Schaufelspitze. Kühlfluid kann vom Fußbereich durch die Passage fließen und über mehrere Kühlschlitze entlang der Hinterkante sowie durch ein Austrittsloch an der Spitze austreten. Eine zweite interne Passage erstreckt sich von einer Eintrittsöffnung radial nach außen entlang der Schaufelvorderkante. Kühlfluid strömt durch diese Passage und tritt über das Austrittsloch an der Spitze und durch mehrere Reihen von Filmkühlungslöchern, die durch die Vorderkante des Blatts gebohrt sind, aus. Eine gekrümmte Passage umfasst eine Eintrittsöffnung an dem radial inneren Ende des Fußbereichs, wobei sich eine erste Passage radial nach außen zu einer Austrittsöffnung erstreckt. Bei der Spitze führt eine 180°-Kehre zu einer Passage, die sich radial nach innen erstreckt. An dem radial inneren Ende der Passage führt eine zweite 180°-Kehre zu einer dritten Passage, die sich radial nach außen zu einer Austrittsöffnung erstreckt. Kühlfluid, das durch die geraden und gekrümmten Passagen strömt, kühlt die Schaufel von innen durch Prallkühlung und tritt durch die Filmkühlungslöcher an den Kanten des Schaufel und/oder durch die Austrittsöffnungen an der Spitze aus. Andere typische Schaufeln besitzen mehrere gekrümmte Kühlpassagen oder gekrümmte Passagen, die fünf Passagen mit vier Kehren umfassen.
- Schaufeln mit inneren serpentinenförmig verlaufenden Kühlpassagen werden in der Regel durch einen Feingussprozess hergestellt, der mit einem Keramikkern die individuellen internen Passagen definiert. Nach dem Gießen wird der Keramikkern durch einen Laugprozess aus der Schaufel entfernt. Die Filmkühlungslöcher an den Kanten und Seitenwänden der Schaufel werden dann durch einen Laserbohrprozess realisiert. Dieser Prozess beinhaltet vor dem eigentlichen Bohren das Einsetzen eines Gegen- oder Blockierungsmaterials, das die Laserstrahlung auf die gewünschten Orte der Filmkühlungslöcher begrenzt und eine Beschädigung der Passagenwände und anderer Innenoberflächen der Schaufel verhindert. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus
EP 854005 - Ein weiterer geeigneter Bohrprozess könnte ein Ionenstrahlbohrprozess sein.
- Während des Prozesses des Gießens der internen Passagen ist es wegen thermisch bedingter Deformationen, die durch unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten des Kerns und des umgebenden Metalls verursacht werden, oft schwierig, die Trennung der Passagen in den Kernen aufrechtzuerhalten.
- Eine gegenwärtige Praxis zum Aufrechterhalten der Trennung der serpentinenförmig verlaufenden Kühlpassagen und zum Stützen des Kerns während des Gießprozesses nutzt konisch geformte Durchbrüche in dem Kern. Diese konischen Durchbrüche sind als Teil des Kerns ausgebildet und erstrecken sich vom Fußbereich durch eine Öffnung in der Wand der 180°-Kehre und in die Passagen. Nachdem das Teil gegossen worden ist und der Kern ausgelaugt worden ist, werden die konischen Durchbrüche mit einem kugelförmigen Stopfen abgeschlossen, der, wie in
EP 1267040 beschrieben, durch Hartlötung fixiert wird. - Schließlich wird auf die Turbinenschaufel eine Wärmedämmschicht (TBC – Thermal Barrier Coating) aufgetragen. Diese Schicht dient dazu, Komponenten vor größeren und längeren Hitzebelastungen zu isolieren, indem Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, die eine nennenswerte Temperaturdifferenz zwischen den lasttragenden Legierungen und der Schichtoberfläche aushalten können. Die Wärmedämmschicht besteht oftmals aus drei Schichten: dem Metallsubstrat, einer metallischen Bondschicht und der TBC-Keramikdeckschicht. Die Keramikdeckschicht besteht in der Regel aus mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumoxid (YSZ), das wünschenswert ist, weil es eine sehr niedrige Leitfähigkeit besitzt, während es bei Nennarbeitstemperaturen stabil bleibt. Diese Keramikschicht erzeugt den größten Wärmegradienten des Wärmeisolationssystems und hält die unteren Schichten bei einer niedrigeren Temperatur als diejenige der Oberfläche. Nach dem Auftragen der Wärmedämmschicht ist nachfolgendes Schweißen und/oder Hartlöten auf wirtschaftliche Weise nicht mehr machbar.
- Aus
EP 1267040 ist eine Schaufel bekannt, die serpentinenförmig verlaufende interne Kühlluftpassagen umfasst. Die Passagen stehen durch Kehren von etwa 180° untereinander in Fluidverbindung. Gemäß der Erfindung werden die Kehren nahe der Plattform der Schaufel, die eine sich radial nach innen erstreckende Passage mit einer sich radial nach außen erstreckenden Passage verbindet, durch eine Fußkehre realisiert, die durch die Passagenseitenwände definiert ist, die sich radial nach innen zu dem radial inneren Ende des Fußbereichs der Schaufel erstrecken, und durch eine Endplatte, die an den radial inneren Enden der Wände angebracht ist. Die Endplatte ist an die radial inneren Enden der Seitenwände der gekrümmten Passagen, die durch die Fußkehre vereinigt sind, geschweißt oder hartgelötet. - KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Turbinenschaufel und eines Verfahrens zum Herstellen derselben, wobei mindestens eines der an der Fußsektion angeordneten Zufuhrlöcher für Kühlfluid durch eine Platte geschlossen ist, die keine nachfolgenden Hartlöt-/Schweißoperationen erfordert, was für die mechanischen Eigenschaften der Schaufel und/oder der Platte abträglich sein kann. Die Platte sollte entfernt werden können, um eine Untersuchung/Reinigung oder eine weitere Bearbeitung der Schaufel in Wartungsintervallen zu erleichtern. Weiterhin sollte sich die Erfindung sowohl auf neues wie auch auf existierendes Design von Schaufeln anwenden lassen, d. h. sowohl für neue wie auch für nachgerüstete Schaufeln.
- Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel einer axial durchströmten Turbine bereitgestellt, das interne Passagen, z. B. Kühlfluidpassagen, umfasst, wobei sich radial nach außen erstreckende Passagen im Schaufelfussbereich Löchern aufweisen, wobei mindestens eines dieser Löcher von einer Platte bedeckt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platte in einem an dem Fuß der Turbinenschaufel angeordneten Schlitz gehalten wird. Die sich radial nach außen erstreckenden Passagen mit Löchern sind allgemein Kern-Printouts, die dem Kern während des Gießprozesses Stabilität verleihen. Oftmals werden nicht alle dieser Kernöffnungen (Printouts) später zur Kühlluftzufuhr benötigt. Diese nicht benötigten Löcher müssen geschlossen werden, um das Funktionieren des Kühlsystems zu garantieren. Der sogenannte „Briefkastenschlitz” zum Halten der Platte kann quer durch den unteren Teil der Fußsektion der Schaufel elektroerosiv bearbeitet werden (EDM – Electro Discharge Machined) und kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass die Platte über das zu schließende Loch bewegt wird, indem sie einfach in den Schlitz geschoben wird. Somit kann die Platte durch eine formschlüssige Verbindung entfernbar über dem zu bedeckenden Loch platziert werden. Dadurch kann der Schlitz leicht als ein durchgehender Schlitz hergestellt werden, d. h. er kann auf beiden Seiten des Schaufelfußes offen sein. Somit wird das an der Fußsektion angeordnete Loch für Kühlfluid durch eine einfache mechanische Einrichtung geschlossen, d. h. eine Platte, die keine nachfolgenden Hartlöt-/Schweißoperationen erfordert. Außerdem kann die Platte entfernt werden, um eine Untersuchung/Reinigung oder eine weitere Bearbeitung der Schaufel in Wartungsintervallen zu ermöglichen.
- Weiterhin lässt sich die Erfindung auf neue oder existierende Designs von Schaufeln anwenden, d. h. sowohl für neue Produkte wie auch für nachgerüstete Schaufeln. Die vorliegende Erfindung kann für alle Turbinenschaufeln eingesetzt werden, die die Schließung eines Lochs erfordern, z. B. ein Kern-Printout oder ein Kernprofilausgang in dem Fußbereich.
- Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Turbinenschaufel gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze in einem verdickten Abschnitt des Fußbereichs eingearbeitet werden. Das heißt, dem unteren Teil des Schaufelfußes wird Material hinzugefügt. Nachdem das Material hinzugefügt worden ist, wird der Schlitz maschinell in das hinzugefügte Material eingearbeitet, um die Platte aufzunehmen. Dies ist vorteilhaft, weil die lasttragenden Flanken des Schaufelfußes nicht von den Schlitzen beeinflusst werden und eine durch die maschinelle Bearbeitung der Schlitze verursachte Beanspruchungskonzentration vermieden wird. Die Abdeckplatte kann dann gleitend in den Schlitz eingeführt werden, um das jeweilige Loch abdichtend zu bedecken. Falls erforderlich, kann diese Platte entfernt werden, indem sie einfach zurückgeschoben wird. Somit können Wartungsarbeiten am Fuß oder den Kühlpassagen leicht durchgeführt werden.
- Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinenschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platte durch die Flanken des Turbinenrotors gegen unbeabsichtigtes Entfernen gesichert ist. Dies ist ein leichter, ausfallsicherer und kosteneffektiver Weg, um die Platte gegen unbeabsichtigtes Entfernen zu sichern. Eine typische Anwendung könnte beispielsweise die Niederdruckstufe einer Gasturbine sein, insbesondere einer stationären Gasturbine.
- Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinenschaufel dadurch gekennzeichnet, dass die Platte ein Öffnungsloch umfasst. Während die Platte gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein als Verschluss verwendet werden kann, kann sie auch als eine Blende mit einer Dosieröffnung verwendet werden. Somit kann die Platte eine doppelte Funktion aufweisen.
- Noch eine andere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinenschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel einen Tannenbaumfuß aufweist. Nachdem die Schaufel auf der Turbinenscheibe durch Einsetzen des Tannenbaumfußes in die jeweiligen Aufnahmesektionen montiert ist, ist die Platte blockiert und kann sich nicht herausbewegen.
- Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinenschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz als ein Blindschlitz ausgelegt ist, das heißt, der Schlitz ist nicht durchgehend. In jedem Fall muss der Schlitz ausreichend lang sein, dass die Platte das ganze Zufuhrloch bedeckt. Es ist ein Vorzug der Teildurchgangs- oder Blindschlitzanordnung, dass nur ein Ende der Platte gegen Bewegung gesichert werden muss. Auf diese Weise wird nur wenig maschinelle Bearbeitung, bevorzugt EDM (Electro Discharge Machining) benötigt, um existierende Schaufeln an die erfindungsgemäße Plattenlösung anzupassen.
- Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Turbinenschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus einer wärmebeständigen Legierung besteht, die aus einem Blechmaterial hergestellt ist. Eine derartige Legierung kann beispielsweise Hastaloy X oder ähnliches sein.
- Ein Prozess zum Herstellen eine Schaufel einer axial durchströmten Turbine, umfassend interne Passagen mit sich radial nach außen erstreckenden Passagen, verbunden mit Löchern in dem Blattfuß, wobei mindestens eines der Löcher von einer Platte bedeckt ist, umfasst die folgenden Schritte:
- – maschinelles Einarbeiten eines Schlitzes zum dichtenden Halten einer Platte in dem Fußbereich der Turbinenschaufel;
- – gleitendes Einsetzen der Platte in den Schlitz, wodurch das zu schließende jeweilige Loch durch eine formschlüssige Verbindung geschlossen wird.
- Weiterhin wird vor der maschinellen Bearbeitung des Schlitzes zusätzliches Material zu dem Fußbereich hinzugefügt, um den Schlitz außerhalb der lasttragenden Flanken des Fußes der Turbinenschaufel anzuordnen. Dieser Schritt ist eine alternative Ausführungsform, die anstelle dessen verwendet wird, den Schlitz direkt in den Fuß der Schaufel einzuarbeiten.
- Dieser Prozess kann sehr vorteilhaft sein, wenn er zum Nachrüsten existierender Turbinenschaufeln verwendet wird, da die Materialstruktur der existierenden Schaufeln durch die Montage der Platte nicht beeinflusst wird.
- KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
- Eine umfassendere Würdigung der Erfindung und vieler der damit einhergehenden Vorteile werden ohne Weiteres erhalten werden, wenn selbige durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:
-
1 eine Teildarstellung der Seitenansicht einer Turbinenschaufel mit einem Plattendeckel in dem Fußbereich gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform; -
2 eine Schnittdarstellung entlang Linie A-A der Turbinenschaufel von1 ; -
3 eine Teildarstellung der Seitenansicht einer Turbinenschaufel mit einem Plattendeckel im Fußbereich gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; -
4 eine Teildarstellung der Vorderansicht der Turbinenschaufel von3 , in den Turbinenrotor eingesetzt; -
5 eine Platte mit einem Öffnungsloch. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Ansichten identische oder entsprechende Teile bezeichnen. Die Zeichnungen dienen nur der Erläuterung der Erfindung.
-
1 zeigt in Teildarstellung eine Seitenansicht einer Schaufel1 einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Schaufel erstreckt sich von der Fußsektion2 zu der nichtgezeigten Spitze und umfasst mehrere interne Passagen4 . Weiterhin zeigt2 eine Schnittdarstellung der Turbinenschaufel1 entlang der Linie A-A von1 . Eine Passage4 erstreckt sich von dem kühlluftzufuhrloch5 am Fuß2 radial nach außen zu der Spitze. Kühlluft kann durch nichtgezeigte Kühlschlitze austreten. Das Loch6 an dem Fuß2 ist mit Hilfe einer Abdeckplatte7 verschlossen, die durch Einsetzen in einen Schlitz9 , der in hinzugefügtes Material an dem Fuß2 der Schaufel1 eingearbeitet ist, entfernbar am Schaufelfuß2 gesichert. Der Schlitz9 ist als ein Blindschlitz9 ausgeführt, wie aus2 zu sehen ist, wo der Bereich des Blindschlitzes9 ohne die Platte7 gezeigt ist, wodurch das durch die Platte7 zu bedeckende Loch6 zu sehen ist. -
3 zeigt in Teildarstellung eine Seitenansicht einer Turbinenschaufel1 mit einem Plattendeckel7 im Fußbereich2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. -
4 zeigt in Teildarstellung eine Vorderansicht der Turbinenschaufel1 entlang der Linie B-B von3 . Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform zeigt die zweite Ausführungsform einen Schlitz12 , der ohne hinzugefügtes zusätzliches Material direkt in den Tannenbaumfuß2 der Schaufel1 eingearbeitet ist. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform ist der die Platte7 haltende Schlitz9 weiterhin ein durchgehender Schlitz, wie in4 am besten zu sehen ist. Der Tannenbaumfuß2 ist in die aufnehmende Rotornut des Turbinenrotors10 eingesetzt. Diese Anordnung hindert die Platte7 effektiv daran, sich aus dem Schlitz12 zu bewegen. In einem derartigen Fall ist keine zusätzliche Sicherung der Platte7 erforderlich. - Schließlich zeigt
5 eine Perspektivansicht einer Platte7 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Öffnungsloch11 . Auf diese Weise kann die Platte7 als eine Strömungsblende verwendet werden. Die Platte7 besitzt allgemein eine rechteckige Gestalt und abgerundete Kanten, um leicht innerhalb des Schlitzes9 bewegt werden zu können. Auch kann das Entfernen der Platte7 für Wartungsarbeiten leicht erreicht werden. Bei den vorliegenden Ausführungsformen besteht die Platte7 aus einem Blech Hastaloy X und weist eine Dicke von etwa 0,1 mm bis 5 mm auf, insbesondere etwa 1 mm. - Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass angesichts der obigen Lehren zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Es versteht sich daher von selbst, dass die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche anderweitig als hierin spezifisch beschrieben praktiziert werden kann.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Turbinenschaufel
- 2
- Fußsektion
- 4
- interne Passage
- 5
- Zufuhrloch
- 6
- Loch
- 7
- Platte
- 8
- hinzugefügtes Material
- 9
- Blindschlitz
- 10
- Turbinenrotor
- 11
- Öffnungsloch
- 12
- durchgehender Schlitz
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 670953 [0002]
- EP 854005 [0004]
- EP 1267040 [0007, 0009]
Claims (10)
- Schaufel einer axial durchströmten Turbine, umfassend interne Passagen (
4 ) und einen Schaufelfuss (2 ), wobei sich die internen Passagen (4 ) radial nach außen erstrecken und mit Löchern (6 ) in dem Schaufelfuß (2 ) verbunden sind, wobei mindestens eines der Löcher (6 ) von einer Platte (7 ) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (7 ) in einem an dem Fuß (2 ) der Turbinenschaufel (1 ) angeordneten Schlitz (9 ) gehalten wird. - Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei der Schlitz (
9 ) in einen verdickten Abschnitt des Fußbereichs (2 ) eingearbeitet ist. - Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei die Platte (
7 ) durch die Flanken der Rotornut (10 ) der axial durchströmten Turbine entfernbar gesichert ist. - Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei die Platte (
7 ) ein Öffnungsloch (11 ) umfasst. - Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei die Schaufel (
1 ) einen Tannenbaumfuß (2 ) aufweist. - Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei der Schlitz (
9 ) als ein Blindschlitz ausgeführt ist. - Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei die Platte (
7 ) aus einer wärmebeständigen Legierung besteht, die aus einem Blechmaterial hergestellt ist. - Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: – maschinelles Einarbeiten eines Schlitzes (
9 ) zum abdichtenden Halten einer Platte (7 ) in den Schaufelfuss (2 ); – gleitendes Einsetzen einer Platte (7 ) in den Schlitz (9 ), um ein Loch (6 ) zu bedecken. - Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach Anspruch 8, wobei vor der maschinellen Bearbeitung des Schlitzes (
9 ) zusätzliches Material zu dem Fußbereich (2 ) hinzugefügt wird, um den Schlitz (9 ) außerhalb der lasttragenden Flanken des Fußes (2 ) der Turbinenschaufel (1 ) anzuordnen. - Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach Anspruch 8, wobei das Verfahren eingesetzt wird, um existierende Turbinenschaufeln nachzurüsten.
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