DE102017208678A1

DE102017208678A1 - Turbine blade with sheet metal insert

Info

Publication number: DE102017208678A1
Application number: DE102017208678.5A
Authority: DE
Inventors: Winfried Braun; Robert Herfurth; Bernd Hornung; Agnes Link; Andre Scharping; Roland Selke; Silke Settegast; Andre Willmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-11-29
Also published as: WO2018215207A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1), insbesondere Lauf- oder Leitschaufel, mit einem Schaufelblatt (3), das von einem Kühlkanal (12) zumindest im Wesentlichen radial durchsetzt ist, und einem von einem radialen Einsetzende (11) des Schaufelblatts (3) her in den Kühlkanal (12) eingesetzten Blecheinsatz (15) mit einer von Kühllöchern (16) durchsetzten Umfangswandung (17), die den Kühlkanal (12) in einen zentralen Strömungskanal (18), der von der Umfangswandung (17) umgeben ist, und einen Hohlraum (19) zwischen der Umfangswandung (17) und einer den Kühlkanal (12) umgebenden Kühlkanalwandung (13) teilt, wobei an einem stirnseitigen Endbereich (20) des Blecheinsatzes (15) der Hohlraum (19) abgedichtet und der Blecheinsatz (15) an der Kühlkanalwandung (13) gehalten ist, wobei der Hohlraum (19) mittels einer Lamellendichtung (21) abgedichtet ist, die an dem stirnseitigen Endbereich (20) des Blecheinsatzes (15) befestigt ist und die Umfangswandung (17) des Blecheinsatzes (15) vollumfänglich umgibt, wobei die Innenkontur (22) der Lamellendichtung (21) mit der Außenkontur (23) der Umfangswandung (17) des Blecheinsatzes (15) korrespondiert, so dass die Lamellendichtung (21) an der Außenfläche (24) der Umfangswandung (17) anliegt, und wobei die Lamellendichtung (21) unter Anpassung ihrer Außenkontur (25) an die Innenkontur (26) der Kühlkanalwandung (13) in den Hohlraum (19) eingepresst ist, so dass der Blecheinsatz (15) mittels der Lamellendichtung (21) an der Kühlkanalwandung (13) gehalten ist.The invention relates to a turbine blade (1), in particular a rotor blade or vane, with an airfoil (3) which is at least substantially penetrated radially by a cooling channel (12) and by a radial insertion end (11) of the airfoil (3). in the cooling channel (12) inserted sheet metal insert (15) with a cooling holes (16) interspersed peripheral wall (17), the cooling channel (12) in a central flow channel (18) which is surrounded by the peripheral wall (17), and a cavity (19) between the peripheral wall (17) and a cooling channel (12) surrounding Kühlkanalwandung (13) divides, wherein at a front end portion (20) of the sheet metal insert (15) of the cavity (19) sealed and the sheet metal insert (15) is held on the cooling passage wall (13), wherein the cavity (19) by means of a lamellar seal (21) is sealed, which is fixed to the front end portion (20) of the sheet metal insert (15) and the peripheral wall (17) of the sheet metal insert (15) completely surrounds, wherein the inner contour (22) of the lamellar seal (21) with the outer contour (23) of the peripheral wall (17) of the sheet metal insert (15) corresponds, so that the lamellar seal (21) on the outer surface (24) of the peripheral wall (17) is applied, and wherein the lamellar seal (21) with adaptation of its outer contour (25) to the inner contour (26) of the cooling channel wall (13) is pressed into the cavity (19), so that the sheet metal insert (15) by means of the lamellar seal ( 21) is held on the cooling passage wall (13).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- oder Leitschaufel, mit einem Schaufelblatt, das von einem Kühlkanal zumindest im Wesentlichen radial durchsetzt ist, und einem von einem radialen Einsetzende des Schaufelblatts her in den Kühlkanal eingesetzten Blecheinsatz mit einer von Kühllöchern durchsetzten Umfangswandung, die den Kühlkanal in einen zentralen Strömungskanal, der von der Umfangswandung umgeben ist, und einen Hohlraum zwischen der Umfangswandung und einer den Kühlkanal umgebenden Kühlkanalwandung teilt, wobei an einem stirnseitigen Endbereich des Blecheinsatzes der Hohlraum abgedichtet und der Blecheinsatz an der Kühlkanalwandung gehalten ist.The present invention relates to a turbine blade, in particular rotor blade or vane, with an airfoil, which is at least substantially penetrated radially by a cooling channel, and a inserted from a radial insertion end of the blade into the cooling channel sheet metal insert with a penetrated by cooling holes peripheral wall, the the cooling channel into a central flow channel, which is surrounded by the peripheral wall, and a cavity between the peripheral wall and the cooling channel surrounding Kühlkanalwandung divides, wherein sealed at a front end portion of the sheet metal insert of the cavity and the sheet metal insert is held on the Kühlkanalwandung.

In Strömungsmaschinen, wie etwa Gasturbinen, werden Turbinenschaufeln eingesetzt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen rotierenden Laufschaufeln und stationären Leitschaufeln, die ein heißes fluides Arbeitsmedium, insbesondere Gas, in Richtung der Laufschaufeln leiten. Insbesondere durch die hohe Temperatur des fluiden Arbeitsmediums und dem damit verbundenen hohen Wärmeeintrag aus dem fluiden Arbeitsmedium in die Turbinenschaufeln, sind die Turbinenschaufeln während ihres Betriebs hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen gekühlt werden.In turbomachines, such as gas turbines, turbine blades are used. In principle, a distinction is made between rotating blades and stationary vanes, which guide a hot fluid working medium, in particular gas, in the direction of the rotor blades. In particular, the high temperature of the fluid working medium and the associated high heat input from the fluid working fluid into the turbine blades, the turbine blades are exposed during their operation high thermal loads and must be cooled.

Um den hohen thermischen Belastungen von Turbinenschaufeln entgegenzutreten, sind unter anderem drei Kühlarten für Turbinenschaufeln bekannt, nämlich die konvektive Kühlung, die Filmkühlung und die Prallkühlung. Alle drei Kühlarten nutzen ein Kühlfluid, um die Turbinenschaufeln zu kühlen. Bei der konvektiven Kühlung strömt das Kühlfluid durch Kühlkanäle, die im Inneren der Turbinenschaufel ausgebildet sind, und führt hierbei mittels Konvektion Wärme an den die Kühlkanäle umgebenden Wänden ab. Bei der Filmkühlung wird das Kühlfluid über Durchgangsöffnungen, die eine Wandung der Turbinenschaufel durchsetzen, die auf der einen Seite einen Kühlkanal umgibt und auf der gegenüberliegenden Seite einen Teil der äußeren Turbinenschaufeloberfläche definiert, von dem Kühlkanal im Inneren der Turbinenschaufel nach außen geführt und umströmt dort die Turbinenschaufel unter Bildung einer isolierenden Schicht zwischen dem heißen, fluiden Arbeitsmedium und der äußeren Turbinenschaufeloberfläche. Bei der Prallkühlung wird eine Wandung der Turbinenschaufel dadurch gekühlt, dass das Kühlfluid im Inneren der Turbinenschaufel unter Bildung von Kühlfluidstrahlen erhöhter Geschwindigkeit durch Kühllöcher, die ein beabstandet von der zu kühlenden Wandung angeordnetes Kühlblech durchsetzen, strömt, in Form der Kühlfluidstrahlen auf die zu kühlende Wandung prallt, anschließend von der zu kühlenden Wandung wegströmt und hierbei Wärme mittels Konvektion abführt.In order to counteract the high thermal loads on turbine blades, three types of turbine blade cooling are known, namely convective cooling, film cooling and impingement cooling. All three types of cooling use a cooling fluid to cool the turbine blades. In the case of convective cooling, the cooling fluid flows through cooling channels formed in the interior of the turbine blade, where it conducts heat by means of convection to the walls surrounding the cooling channels. In the film cooling, the cooling fluid is guided through through openings, which pass through a wall of the turbine blade, which surrounds a cooling channel on the one side and defines a part of the outer turbine blade surface on the opposite side, and flows out of the cooling channel in the interior of the turbine blade Turbine blade forming an insulating layer between the hot, fluid working fluid and the outer turbine blade surface. In impingement cooling, a wall of the turbine blade is cooled by flowing the cooling fluid inside the turbine blade to form cooling fluid jets of increased velocity through cooling holes passing through a cooling plate spaced apart from the wall to be cooled, in the form of cooling fluid jets on the wall to be cooled bounces, then flows away from the wall to be cooled and thereby dissipates heat by convection.

Insbesondere das Schaufelblatt einer Turbinenschaufel muss gekühlt werden. Hierbei kommen in an sich bekannter Weise die zuvor erwähnten Kühlarten zum Einsatz. Insbesondere die Prallkühlung hat sich zur Kühlung des Schaufelblatts einer Turbinenschaufel bewährt.In particular, the blade of a turbine blade must be cooled. Here, the aforementioned types of cooling are used in a conventional manner. In particular, the impingement cooling has proven itself for cooling the airfoil of a turbine blade.

So ist es bekannt, einen Prallkühlblecheinsatz mit einer von Kühllöchern durchsetzten Umfangswandung von einem radialen Ende des Schaufelblatts her in einen Kühlkanal, der das Schaufelblatt zumindest im Wesentlichen radial durchsetzt, einzusetzen. Die Umfangswandung des Prallkühlblecheinsatzes teilt hierbei den Kühlkanal in einen zentralen Strömungskanal, der von der Umfangswandung umgeben ist, und einen Hohlraum zwischen der Umfangswandung und einer den Kühlkanal umgebenden Kühlkanalwandung. Der Prallkühlblecheinsatz ist an einem stirnseitigen Endbereich üblicherweise mittels einer Schweißverbindung, nämlich einer die Umfangswandung des Prallkühlblecheinsatzes vollumfänglich umgebenden Schweißnaht, mit der Kühlkanalwandung verbunden, wodurch der Prallkühlblecheinsatz an der Kühlkanalwandung gehalten und der Hohlraum gegen einen radialen Kühlfluideintritt abgedichtet ist.Thus, it is known to use an impingement cooling-plate insert with a peripheral wall penetrated by cooling holes from a radial end of the blade into a cooling channel, which passes through the blade at least essentially radially. The peripheral wall of the baffle cooling plate insert divides the cooling channel into a central flow channel, which is surrounded by the peripheral wall, and a cavity between the peripheral wall and a cooling channel wall surrounding the cooling channel. The baffle plate insert is usually connected to the cooling channel wall at a front end region by means of a welded connection, namely a weld surrounding the peripheral wall of the baffle plate insert, whereby the baffle plate insert is held against the cooling channel wall and the cavity is sealed against a radial cooling fluid inlet.

Eine Schweißverbindung hat jedoch den Nachteil, dass die miteinander verschweißten Bauteile derart fest miteinander verbunden sind, dass während des Betriebs der Turbinenschaufel, wenn sich unterschiedliche Materialien der miteinander verschweißten Bauteile bei den hohen Betriebstemperaturen unterschiedlich stark ausdehnen, unerwünschte Spannungen zwischen diesen Bauteilen entstehen können. Des Weiteren kann ein mittels Schweißen an der Kühlkanalwandung befestigter Prallkühlblecheinsatz im Falle einer Reparatur, Wartung und/oder des Refurbishments der Turbinenschaufel nicht von der Kühlkanalwandung gelöst werden, ohne Beschädigungen an den miteinander verschweißten Bauteilen hervorzurufen, die anschließend repariert werden müssen. Meist sind die Beschädigungen an dem Prallkühlblecheinsatz so groß, dass dieser nicht repariert, sondern ersetzt werden muss. Da sowohl die Demontage des Prallkühlblecheinsatzes als auch die anschließende Reparatur des Schaufelblatts und der anschließende Ersatz des Prallkühlblecheinsatzes sehr aufwändig und damit sehr teuer sind, ist eine wirtschaftliche Reparatur, Wartung und/oder Refurbishment der Turbinenschaufel nicht möglich.However, a welded joint has the disadvantage that the components welded together are so firmly connected to each other that during operation of the turbine blade, if different materials of the components welded together at the high operating temperatures expand differently, undesirable stresses between these components may arise. Furthermore, in the event of a repair, maintenance and / or refurbishment of the turbine blade, an impingement cooling-plate insert fastened to the cooling-duct wall by means of welding can not be detached from the cooling-duct wall without causing damage to the components welded to one another, which then have to be repaired. In most cases, the damage to the baffle plate insert is so great that it does not have to be repaired but replaced. Since both the disassembly of the baffle cooling plate insert and the subsequent repair of the airfoil and the subsequent replacement of the baffle plate insert are very complex and thus very expensive, an economical repair, maintenance and / or refurbishment of the turbine blade is not possible.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine wirtschaftliche Reparatur, Wartung und/oder Refurbishment möglich ist. Dabei soll insbesondere auch dem Auftreten unerwünschter Spannungen zwischen den miteinander verbundenen Bauteilen während des Betriebs der Turbinenschaufel vorgebeugt werden.Against this background, the present invention has the object, a turbine blade of the type mentioned in such a way that an economical repair, maintenance and / or refurbishment is possible. It should In particular, the occurrence of undesirable stresses between the interconnected components during operation of the turbine blade can be prevented.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hohlraum mittels einer Lamellendichtung abgedichtet ist, die an dem stirnseitigen Endbereich des Blecheinsatzes befestigt ist und die Umfangswandung des Blecheinsatzes vollumfänglich umgibt, wobei die Innenkontur der Lamellendichtung mit der Außenkontur der Umfangswandung des Blecheinsatzes korrespondiert, so dass die Lamellendichtung an der Außenfläche der Umfangswandung anliegt, und wobei die Lamellendichtung unter Anpassung ihrer Außenkontur an die Innenkontur der Kühlkanalwandung in den Hohlraum eingepresst ist, so dass der Blecheinsatz mittels der Lamellendichtung an der Kühlkanalwandung gehalten ist.To achieve this object, the present invention provides a turbine blade of the type mentioned above, which is characterized in that the cavity is sealed by a lamellar seal which is fixed to the front end portion of the sheet metal insert and surrounds the peripheral wall of the sheet metal insert fully, the inner contour of the Lamellar seal with the outer contour of the peripheral wall of the sheet metal insert corresponds, so that the lamellar seal abuts the outer surface of the peripheral wall, and wherein the lamellar seal is pressed under adaptation of its outer contour to the inner contour of the Kühlkanalwandung in the cavity, so that the sheet metal insert by means of the lamellar seal on the Kühlkanalwandung is held.

Der Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, eine Lamellendichtung zu verwenden, um mittels dieser in nur einem Arbeitsschritt den Hohlraum gegen einen radialen Kühlfluideintritt abzudichten und den Blecheinsatz an der Kühlkanalwandung zu halten. Genauer gesagt wird der Blecheinsatz in dem Kühlkanal des Schaufelblatts montiert, indem er samt der Lamellendichtung, die an dem stirnseitigen Endbereich des Blecheinsatzes befestigt ist, in den Kühlkanal eingesetzt, besser gesagt eingeschlagen wird. Beim Einschlagen des Blecheinsatzes in den Kühlkanal wird die Lamellendichtung in den Hohlraum eingepresst, also leicht verformt, wobei sich die Außenkontur der Lamellendichtung an die Innenkontur der Kühlkanalwandung anpasst. Durch eine einfache Umkehrung dieses Arbeitsschritts, nämlich durch ein Herausziehen oder Herausschlagen des Blecheinsatzes samt der Lamellendichtung aus dem Kühlkanal, ist es möglich, den Blecheinsatz vergleichsweise einfach, schnell und zumindest weitestgehend zerstörungsfrei von der Kühlkanalwandung zu demontieren, so dass der Demontage- und Montageaufwand im Rahmen einer Reparatur oder Wartung oder aber auch dem Refurbishment der Turbinenschaufel vergleichsweise gering ausfällt. Insbesondere kann ein demontierter Blecheinsatz auch wiederverwendet werden. Da der Blecheinsatz nicht mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, sondern mittels der in den Hohlraum eingepressten Lamellendichtung an der Kühlkanalwandung befestigt ist, können sich zudem die aneinander befestigten Bauteile während des Betriebs der Turbinenschaufel, wenn sich unterschiedliche Materialien der Bauteile bei den hohen Betriebstemperaturen unterschiedlich stark ausdehnen, leicht gegeneinander verschieben, wodurch unerwünschten Spannungen zwischen den Bauteilen vorgebeugt werden kann.The invention is therefore based on the idea of using a lamellar seal in order to seal the cavity against a radial cooling fluid inlet by means of the latter in just one working step and to hold the sheet metal insert against the cooling duct wall. More specifically, the sheet metal insert is mounted in the cooling channel of the airfoil, by inserting it into the cooling channel together with the lamellar seal, which is fastened to the end-side end region of the sheet-metal insert, or, to put it better. When driving the sheet metal insert into the cooling channel, the lamellar seal is pressed into the cavity, that is slightly deformed, wherein the outer contour of the lamellar seal adapts to the inner contour of the cooling passage wall. By a simple reversal of this step, namely by pulling or knocking out the sheet metal insert including the lamellar seal from the cooling channel, it is possible to disassemble the sheet metal insert comparatively simple, fast and at least largely destructive of the Kühlkanalwandung, so that the disassembly and assembly costs in Repair or maintenance or even the refurbishment of the turbine blade comparatively low fails. In particular, a dismantled sheet metal insert can also be reused. Since the sheet metal insert is not fastened by means of a material-locking connection, but by means of the lamellar seal pressed into the cavity on the Kühlkanalwandung, in addition, the components attached to each other during operation of the turbine blade, if different materials of the components at the high operating temperatures vary greatly, Slightly move against each other, whereby unwanted stresses between the components can be prevented.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Turbinenschaufel zumindest teilweise aus Metall oder einer Superlegierung, insbesondere einer Nickelbasis-Legierung, hergestellt sein. Insbesondere Superlegierungen eignen sich für einen Einsatz bei hohen Temperaturen, wie sie in einer Gasturbine vorherrschen. Beispielsweise ist das Schaufelblatt und/oder der Blecheinsatz aus Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere einer Nickelbasis-Legierung, hergestellt. In diesem Fall ist die Lamellendichtung bevorzugt aus einem verglichen mit dem Metall oder der Metalllegierung des Schaufelblatts und/oder des Blecheinsatzes, weichen Metall, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, hergestellt. Auf diese Weise lässt sich die Lamellendichtung beim Einschlagen des Blecheinsatzes in den Kühlkanal leichter, insbesondere auch plastisch verformen.According to one embodiment of the invention, the turbine blade may be at least partially made of metal or a superalloy, in particular a nickel-based alloy. In particular superalloys are suitable for use at high temperatures, as prevail in a gas turbine. For example, the airfoil and / or the metal insert is made of metal or a metal alloy, in particular a nickel-based alloy. In this case, the lamellar seal is preferably made of a soft metal compared to the metal or the metal alloy of the blade and / or the sheet metal insert, in particular of copper or aluminum. In this way, the lamellar seal when turning the sheet metal insert in the cooling channel easier, especially plastically deform.

Vorteilhaft ragt zumindest eine Lamelle der Lamellendichtung von der Außenfläche der Umfangswandung des Blecheinsatzes ab und weist das freie Ende der Lamelle in Richtung des Einsetzendes des Schaufelblatts, also in Richtung des Endes des Schaufelblatts, von dem aus der Blecheinsatz in den Kühlkanal eingesetzt ist. Auf diese Weise kann sich die Lamelle beim Einschlagen des Blecheinsatzes in den Kühlkanal elastisch verformen.Advantageously, at least one lamella of the lamellar seal protrudes from the outer surface of the peripheral wall of the sheet metal insert and has the free end of the lamella in the direction of the insertion end of the blade, ie in the direction of the end of the blade, from which the sheet metal insert is inserted into the cooling channel. In this way, the blade can deform elastically when driving the sheet metal insert into the cooling channel.

Zweckmäßigerweise verjüngt sich zumindest eine Lamelle der Lamellendichtung unter Bildung einer Keilform zu ihrem freien Ende hin. Dadurch, dass das freie Ende der Lamelle verglichen mit dem gegenüberliegenden Ende der Lamelle schmäler ausgebildet ist, lässt es sich beim Einschlagen des Blecheinsatzes in den Kühlkanal leicht verformen.Conveniently, at least one lamella of the lamellar seal tapers to form a wedge shape towards its free end. Characterized in that the free end of the blade is formed narrower compared to the opposite end of the blade, it can be easily deformed when driving the sheet metal insert into the cooling channel.

Bevorzugt umfasst die Lamellendichtung mehrere Lamellen, wodurch eine bessere Abdichtung des Hohlraums erzielt und ein sichererer Halt des Blecheinsatzes an der Kühlkanalwandlung gewährleistet wird. Die Lamellen können radial voneinander beabstandet sein. Zudem können die Lamellen zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Die Lamellendichtung kann auch einen ringartig geschlossenen Grundkörper umfassen. In diesem Fall ragen die Lamellen von der Außenseite des Grundkörpers in Richtung der Kühlkanalwandung ab, so dass die freien Enden der Lamellen die Kühlkanalwandung kontaktieren, und ist die Innenseite des Grundkörpers der Außenfläche der Umfangswandung des Blecheinsatzes zugewandt. Vorteilhaft liegt die Innenseite des Grundkörpers an der Außenfläche der Umfangswandung des Blecheinsatzes an. Es können an der Innenseite des Grundkörpers auch Befestigungsvorsprünge vorgesehen sein, an denen die Lamellendichtung an dem Blecheinsatz befestigt ist.Preferably, the lamellar seal comprises a plurality of fins, whereby a better sealing of the cavity achieved and a more secure hold of the sheet metal insert is ensured at the cooling channel conversion. The fins may be radially spaced from each other. In addition, the slats can be arranged at least substantially parallel to each other. The lamellar seal may also comprise an annularly closed base body. In this case, the lamellae protrude from the outside of the main body in the direction of the cooling passage wall, so that the free ends of the lamellae contact the cooling passage wall, and the inside of the main body faces the outer surface of the circumferential wall of the metal insert. Advantageously, the inside of the body abuts against the outer surface of the peripheral wall of the sheet metal insert. It can be provided on the inside of the body and mounting projections on which the lamellar seal is attached to the sheet metal insert.

Zweckmäßigerweise ist die Lamellendichtung mittels Schweißen, insbesondere mittels Punktschweißen und/oder Heftschweißen, Löten und/oder einer Schraubverbindung, an dem Blecheinsatz befestigt. Insbesondere eine Punktschweißverbindung lässt sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand herstellen.Advantageously, the lamellar seal by welding, in particular by means of Spot welding and / or tack welding, soldering and / or a screw, attached to the sheet metal insert. In particular, a spot welding connection can be produced with relatively little effort.

Vorteilhafterweise hat der Blecheinsatz eine Querschnittsform, die der Querschnittsform des Schaufelblatts der Turbinenschaufel entspricht. Auf diese Weise lässt sich der Blecheinsatz problemlos in den Kühlkanal des Schaufelblatts einsetzen.Advantageously, the sheet metal insert has a cross-sectional shape that corresponds to the cross-sectional shape of the blade of the turbine blade. In this way, the sheet metal insert can be easily inserted into the cooling channel of the airfoil.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlraum mittels zweier Lamellendichtungen abgedichtet, die an den gegenüberliegenden, stirnseitigen Endbereichen des Blecheinsatzes befestigt sind. Hierdurch ist der Hohlraum sowohl gegen einen radialen Kühlfluideintritt als auch gegen einen radialen Kühlfluidaustritt abgedichtet. In diesem Fall muss das Kühlfluid, welches während des Betriebs der Turbinenschaufel ausgehend vom zentralen Strömungskanal durch die Kühllöcher der Umfangswandung des Blecheinsatzes in den Hohlraum strömt, den Hohlraum beispielsweise durch Filmkühldurchgangsbohrungen, die in der Kühlkanalwandung ausgebildet sind, verlassen.According to a further embodiment of the invention, the cavity is sealed by means of two disc seals, which are fastened to the opposite, end-side end portions of the sheet metal insert. As a result, the cavity is sealed against both a radial cooling fluid inlet and against a radial cooling fluid outlet. In this case, the cooling fluid, which flows during operation of the turbine blade from the central flow channel through the cooling holes of the peripheral wall of the sheet metal insert into the cavity, the cavity, for example, by film cooling through holes formed in the cooling channel wall leave.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung sowie zweier Ausführungsformen einer Lamellendichtung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin zeigt

1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Schnittansicht der Turbinenschaufel nach 1 entlang der Schnittebene II-II;
3 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer alternativ ausgestalteten Lamellendichtung.

Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment of a turbine blade according to the present invention and two embodiments of a laminated seal with reference to the accompanying drawings. It shows

1 a schematic, perspective view of a turbine blade according to an embodiment of the present invention;
2 a schematic sectional view of the turbine blade according to 1 along the section plane II-II;
3 a schematic, perspective sectional view of an alternatively designed plate seal.

Die 1 und 2 zeigen schematische Ansichten einer Turbinenschaufel 1, hier einer Turbinenleitschaufel, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Turbinenleitschaufel 1 umfasst eine Schaufelplattform 2 und ein Schaufelblatt 3, das mit einem Endabschnitt 4 eine zu der Außenkontur 5 des Endabschnitts 4 korrespondierende Durchgangsöffnung 6 der Schaufelplattform 2 durchsetzt. Hierbei ragt ein Teil des Endabschnitts 4 des Schaufelblatts 3 an der Unterseite 7 der Schaufelplattform 2 aus der Durchgangsöffnung 6, der überwiegende Teil des Schaufelblatts 3 jedoch an der Oberseite 8 der Schaufelplattform 2 aus der Durchgangsöffnung 6 hinaus. Das Schaufelblatt 3 ist mittels zweier umlaufender Schweißnähte 9 an der Unterseite 7 und der Oberseite 8 der Schaufelplattform 2 mit der Schaufelplattform 2 verbunden.The 1 and 2 show schematic views of a turbine blade 1 , here a turbine vane, according to an embodiment of the present invention. The turbine vane 1 includes a paddle platform 2 and an airfoil 3 that with one end section 4 one to the outer contour 5 of the end section 4 corresponding passage opening 6 the scoop platform 2 interspersed. In this case, a part of the end section protrudes 4 of the airfoil 3 on the bottom 7 the scoop platform 2 from the passage opening 6 , the predominant part of the airfoil 3 however at the top 8th the scoop platform 2 from the passage opening 6 out. The blade 3 is by means of two circumferential welds 9 on the bottom 7 and the top 8th the scoop platform 2 with the scoop platform 2 connected.

Das Schaufelblatt 3 der Turbinenleitschaufel 1 ist derart ausgestaltet, dass es während des Betriebs der Turbinenleitschaufel 1 mittels Prallkühlung, Filmkühlung und konvektiver Kühlung gekühlt werden kann.The blade 3 the turbine vane 1 is configured such that during operation of the turbine vane 1 can be cooled by impingement cooling, film cooling and convective cooling.

Konkret ist das Schaufelblatt 3 zu dessen konvektiven Kühlung ausgehend von einer Einlassöffnung 10 an seinem stirnseitigen Ende 11 im Endabschnitt 4 des Schaufelblatts 3 zumindest im Wesentlichen in Radialrichtung der Turbinenleitschaufel 1 von einem Kühlkanal 12 durchsetzt. Der Kühlkanal 12 ist von einer Kühlkanalwandung 13 umgeben, die von mehreren Filmkühldurchgangsbohrungen 14 durchsetzt ist.Specifically, the blade is 3 for its convective cooling from an inlet opening 10 at its front end 11 in the end section 4 of the airfoil 3 at least substantially in the radial direction of the turbine vane 1 from a cooling channel 12 interspersed. The cooling channel 12 is from a cooling duct wall 13 surrounded by several film cooling holes 14 is interspersed.

Von dem stirnseitigen Ende 11 des Schaufelblatts 3 - auch Einsetzende genannt - her ist ein Blecheinsatz 15 mit einer von Kühllöchern 16 durchsetzten Umfangswandung 17 in den Kühlkanal 12 eingesetzt. Die Querschnittsform des Blecheinsatzes 15 entspricht der Querschnittsform des Schaufelblatts 3 der Turbinenleitschaufel 1. Die Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15 teilt den Kühlkanal 12 in einen zentralen Strömungskanal 18, der von der Umfangswandung 17 umgeben ist, und einen Hohlraum 19 konstanter Breite zwischen der Umfangswandung 17 und der den Kühlkanal 12 umgebenden Kühlkanalwandung 13. An einem stirnseitigen Endbereich 20 des Blecheinsatzes 15, der sich in dem durch den Endabschnitt 4 des Schaufelblatts 3 verlaufenden Teil des Kühlkanals 12 befindet, ist der Hohlraum 19 gegen einen radialen Kühlfluideintritt abgedichtet und der Blecheinsatz 15 an der Kühlkanalwandung 13 gehalten.From the front end 11 of the airfoil 3 - Also called inserting - here is a sheet metal insert 15 with one of cooling holes 16 enforced circumferential wall 17 in the cooling channel 12 used. The cross-sectional shape of the sheet metal insert 15 corresponds to the cross-sectional shape of the airfoil 3 the turbine vane 1 , The peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 divides the cooling channel 12 in a central flow channel 18 coming from the peripheral wall 17 is surrounded, and a cavity 19 constant width between the peripheral wall 17 and the cooling channel 12 surrounding Kühlkanalwandung 13 , At a front end area 20 of the sheet metal insert 15 that goes through the end section 4 of the airfoil 3 extending part of the cooling channel 12 is located, is the cavity 19 sealed against a radial cooling fluid inlet and the sheet metal insert 15 on the cooling duct wall 13 held.

Durch die zuvor beschriebene Anordnung des Blecheinsatzes 15 innerhalb des Kühlkanals 12 und die Filmkühldurchgangsbohrungen 14 in der Kühlkanalwandung 13 des Schaufelblatts 3 kann die Kühlkanalwandung 13, wie nachstehend im Zusammenhang mit dem Betrieb der Turbinenleitschaufel 1 detaillierter beschrieben, sowohl von Innen mittels Prallkühlung als auch von Außen mittels Filmkühlung gekühlt werden.By the arrangement of the sheet metal insert described above 15 within the cooling channel 12 and the film cooling through holes 14 in the cooling duct wall 13 of the airfoil 3 can the cooling duct wall 13 as described below in connection with the operation of the turbine vane 1 be described in more detail, both cooled from the inside by means of impingement cooling as well as from the outside by means of film cooling.

Erfindungsgemäß ist der Hohlraum 19 mittels einer Lamellendichtung 21 abgedichtet, die an dem stirnseitigen Endbereich 20 des Blecheinsatzes 15 mittels Punktschweißen befestigt ist und die Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15 vollumfänglich umgibt. Die Innenkontur 22 der Lamellendichtung 21 korrespondiert mit der Außenkontur 23 der Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15, so dass die Lamellendichtung 21 an der Außenfläche 24 der Umfangswandung 17 anliegt. Unter Anpassung der Außenkontur 25 der Lamellendichtung 21 an die Innenkontur 26 der Kühlkanalwandung 13 ist die Lamellendichtung 21 in den Hohlraum 19 eingepresst, so dass der Blecheinsatz 15 mittels der Lamellendichtung 21 an der Kühlkanalwandung 13 gehalten ist.According to the invention, the cavity 19 by means of a lamellar seal 21 sealed at the front end portion 20 of the sheet metal insert 15 is secured by spot welding and the peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 completely surrounds. The inner contour 22 the lamellar seal 21 corresponds to the outer contour 23 the peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 so that the lamellar seal 21 on the outside surface 24 the peripheral wall 17 is applied. Under adaptation of the outer contour 25 the lamellar seal 21 to the inner contour 26 the cooling channel wall 13 is the lamellar seal 21 in the cavity 19 pressed in, so that the sheet metal insert 15 by means of the lamellar seal 21 on the cooling duct wall 13 is held.

Konkret umfasst die Lamellendichtung 21 einen ringartig geschlossenen Grundkörper 27 und drei Lamellen 28, die von der Außenseite 29 des Grundkörpers 27 abragen und deren freie Enden 30 in Richtung des Einsetzendes 11 des Schaufelblatts 3 weisen und die Kühlkanalwandung 13 kontaktieren. Die Lamellen 28 verjüngen sich jeweils unter Bildung einer Keilform zu ihrem freien Ende 30 hin, sind radial voneinander beabstandet und parallel zueinander angeordnet. Die Innenseite 31 des Grundkörpers 27 liegt an der Außenfläche 24 der Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15 an.Specifically, the lamellar seal comprises 21 an annularly closed body 27 and three slats 28 from the outside 29 of the basic body 27 protrude and their free ends 30 in the direction of the insertion end 11 of the airfoil 3 wise and the Kühlkanalwandung 13 to contact. The slats 28 each taper to form a wedge shape to their free end 30 towards, are radially spaced from each other and arranged parallel to each other. The inside 31 of the basic body 27 lies on the outer surface 24 the peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 at.

Zur Montage des Blecheinsatzes 15 in dem Kühlkanal 12 des Schaufelblatts 3 wird zunächst die Lamellendichtung 21 mittels einzelnen Schweißpunkten derart an der Außenfläche 24 der Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15 in dessen stirnseitigen Endbereich 20 befestigt, dass die Lamellen 28 der Lamellendichtung 21 von der Umfangswandung 17 schräg nach außen abragen. Anschließend wird der Blecheinsatz 15 samt der Lamellendichtung 21 in den Kühlkanal 12 eingesetzt, besser gesagt eingeschlagen, insbesondere mittels eines Hammers. Beim Einschlagen des Blecheinsatzes 15 in den Kühlkanal 12 wird die Lamellendichtung 21 in den Hohlraum 19 eingepresst, also leicht verformt, wobei sich die Außenkontur 25 der Lamellendichtung 21 an die Innenkontur 26 der Kühlkanalwandung 13 anpasst. Aufgrund der schräg verlaufenden Lamellen 28 kann sich die Lamellendichtung 21 hierbei federartig elastisch verformen. Da das Schaufelblatt 3 und der Blecheinsatz 15 aus einer Metalllegierung und die Lamellendichtung 21 aus einem verglichen mit dieser Metalllegierung weichen Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium, hergestellt ist, kann sich die Lamellendichtung 21 auch plastisch verformen.For mounting the sheet metal insert 15 in the cooling channel 12 of the airfoil 3 First, the lamellar seal 21 by means of individual welds on the outer surface 24 the peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 in the front end region 20 attached that lamellae 28 the lamellar seal 21 from the peripheral wall 17 project obliquely outwards. Subsequently, the sheet metal insert 15 including the lamellar seal 21 in the cooling channel 12 used, in other words hammered, in particular by means of a hammer. When driving in the sheet metal insert 15 in the cooling channel 12 becomes the lamellar seal 21 in the cavity 19 Pressed, so slightly deformed, with the outer contour 25 the lamellar seal 21 to the inner contour 26 the cooling channel wall 13 adapts. Due to the slats running diagonally 28 can the lamellar seal 21 in this case elastically deform spring-like. Because the airfoil 3 and the sheet metal insert 15 made of a metal alloy and the lamellar seal 21 is made of a compared to this metal alloy soft metal, especially copper or aluminum, the lamellar seal can 21 also plastically deform.

Das Verwenden einer Lamellendichtung 21, die zusammen mit dem Blecheinsatz 15 in den Kühlkanal 12 eingeschlagen wird, ist vorteilhaft, da in nur einem Arbeitsschritt der Hohlraum 19 abgedichtet und der Blecheinsatz 15 an der Kühlkanalwandung 13 gehalten wird. Durch eine einfache Umkehrung dieses Arbeitsschritts, nämlich durch ein Herausziehen oder Herausschlagen des Blecheinsatzes 15 samt der Lamellendichtung 21 aus dem Kühlkanal 12, ist es möglich, den Blecheinsatz 15 vergleichsweise einfach, schnell und zumindest weitestgehend zerstörungsfrei von der Kühlkanalwandung 13 zu demontieren, so dass der Demontage- und Montageaufwand im Rahmen einer Reparatur oder Wartung oder aber auch dem Refurbishment der Turbinenleitschaufel 1 vergleichsweise gering ausfällt. Insbesondere kann ein demontierter Blecheinsatz 15 auch wiederverwendet werden. Da der Blecheinsatz 15 mittels der in den Hohlraum 19 eingepressten Lamellendichtung 21 an der Kühlkanalwandung 13 befestigt ist, können sich zudem die aneinander befestigten Bauteile 13, 15 während des Betriebs der Turbinenleitschaufel 1, wenn sich die unterschiedlichen Materialien der Bauteile 13, 15 bei den hohen Betriebstemperaturen unterschiedlich stark ausdehnen, leicht gegeneinander verschieben, wodurch unerwünschten Spannungen zwischen den Bauteilen 13, 15 vorgebeugt werden kann.Using a lamellar seal 21 that together with the sheet metal insert 15 in the cooling channel 12 is taken, is advantageous because in only one step, the cavity 19 sealed and the sheet metal insert 15 on the cooling duct wall 13 is held. By a simple reversal of this step, namely by pulling out or knocking out the sheet metal insert 15 including the lamellar seal 21 from the cooling channel 12 , it is possible to use the sheet metal 15 relatively simple, fast and at least largely destructive of the cooling channel wall 13 dismantle, so that the disassembly and assembly costs in the context of a repair or maintenance or even the refurbishment of the turbine vane 1 comparatively low. In particular, a dismantled sheet metal insert 15 also be reused. As the sheet metal insert 15 by means of the in the cavity 19 pressed-in lamellar seal 21 on the cooling duct wall 13 is attached, in addition, the components attached to each other 13 . 15 during operation of the turbine vane 1 when the different materials of the components 13 . 15 expand differently at high operating temperatures, slightly shift against each other, causing undesirable stresses between components 13 . 15 can be prevented.

Während des Betriebs der Turbinenleitschaufel 1 tritt ein Kühlfluid durch die Einlassöffnung 10 an dem stirnseitigen Ende 11 des Schaufelblatts 3 in den zentralen Strömungskanal 18 ein, durchströmt diesen und führt hierbei mittels Konvektion Wärme an der Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15, die den Strömungskanal 18 umgibt, ab. Ein Teil des Kühlfluids innerhalb des Strömungskanals 18 strömt unter Bildung von Kühlfluidstrahlen erhöhter Geschwindigkeit durch die Kühllöcher 16 der Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15 und prallt in Form der Kühlfluidstrahlen auf die Kühlkanalwandung 13 des Schaufelblatts 3, so dass die Kühlkanalwandung 13 gekühlt wird. Anschließend strömt das Kühlfluid von der Kühlkanalwandung 13 weg und führt hierbei Wärme mittels Konvektion ab. Ein Teil des wegströmenden Kühlfluids strömt durch die Filmkühldurchgangsbohrungen 14 der Kühlkanalwandung 13 auf die äußere Oberfläche 32 des Schaufelblatts 3 und bildet dort eine isolierende Schicht zwischen dem heißen, fluiden Arbeitsmedium und der äußeren Oberfläche 32 des Schaufelblatts 3, so dass die Kühlkanalwandung 13 zusätzlich mittels Filmkühlung gekühlt wird. Ein weiterer Teil des wegströmenden Kühlfluids durchströmt den Hohlraum 19 in Radialrichtung der Turbinenleitschaufel 1 und tritt an einer nicht dargestellten Auslassöffnung aus dem Hohlraum 19 aus.During operation of the turbine vane 1 a cooling fluid passes through the inlet opening 10 at the front end 11 of the airfoil 3 in the central flow channel 18 a, flows through it and this leads by convection heat to the peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 that the flow channel 18 surrounds, from. Part of the cooling fluid within the flow channel 18 flows through the cooling holes to form cooling fluid jets of increased speed 16 the peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 and bounces in the form of cooling fluid jets on the Kühlkanalwandung 13 of the airfoil 3 so that the cooling duct wall 13 is cooled. Subsequently, the cooling fluid flows from the cooling passage wall 13 away and thereby dissipates heat by convection. Part of the flowing cooling fluid flows through the film cooling through holes 14 the cooling channel wall 13 on the outer surface 32 of the airfoil 3 where it forms an insulating layer between the hot, fluid working medium and the outer surface 32 of the airfoil 3 so that the cooling duct wall 13 additionally cooled by means of film cooling. Another part of the flowing cooling fluid flows through the cavity 19 in the radial direction of the turbine vane 1 and exits the cavity at an outlet opening, not shown 19 out.

Die 3 zeigt eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer alternativ ausgestalteten Lamellendichtung 21. Diese Lamellendichtung 21 unterscheidet sich von der im Zusammenhang mit dem 1 und 2 beschriebenen Lamellendichtung lediglich dadurch, dass die Innenseite 31 des Grundkörpers 27 nicht wie in den 1 und 2 eben ausgebildet, sondern mit zwei umlaufenden Befestigungsvorsprüngen 33 versehen ist. Bei einem Einsatz der alternativ ausgestalteten Lamellendichtung 21 in einer Turbinenleitschaufel 1, wie sie in den 1 und 2 gezeigt ist, kann die Lamellendichtung 21 über die Befestigungsvorsprünge 33, insbesondere mittels Punktschweißen, an dem Blecheinsatz 15 befestigt sein. In diesem Fall ist die Innenseite 31 des Grundkörpers 27 zwar der Außenfläche 24 der Umfangswandung 17 des Blecheinsatzes 15 zugewandt, liegt jedoch nicht daran an.The 3 shows a schematic, perspective sectional view of an alternatively designed plate seal 21 , This lamellar seal 21 is different from the one related to the 1 and 2 described only by the fact that the inside 31 of the basic body 27 not like in the 1 and 2 just trained, but with two circumferential mounting projections 33 is provided. When using the alternatively designed plate seal 21 in a turbine vane 1 as they are in the 1 and 2 is shown, the lamellar seal 21 over the fastening projections 33 , in particular by means of spot welding, on the sheet metal insert 15 be attached. In this case, the inside is 31 of the basic body 27 though the outer surface 24 the peripheral wall 17 of the sheet metal insert 15 However, it does not matter.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann es sich bei der Turbinenschaufel auch um eine Turbinenlaufschaufel handeln. Auch kann der Hohlraum mittels zweier Lamellendichtungen abgedichtet sein, die an gegenüberliegenden, stirnseitigen Endbereichen des Blecheinsatzes befestigt sind. Die Lamellendichtungen können anstatt mittels Schweißen auch mittels Löten und/oder einer Schraubverbindung an dem Blecheinsatz befestigt sein.While the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. For example, the turbine blade may also be a turbine blade. Also, the cavity may be sealed by means of two leaf seals, which are fastened to opposite, end-side end portions of the sheet metal insert. The lamellar seals can also be fastened by means of welding by means of soldering and / or a screw connection to the sheet metal insert.

Claims

Turbine blade (1), in particular rotor or vane, with an airfoil (3), which is at least substantially radially interspersed by a cooling channel (12), and from a radial insertion end (11) of the airfoil (3) into the cooling channel (12) inserted sheet metal insert (15) having a cooling holes (16) interspersed peripheral wall (17), the cooling channel (12) in a central flow channel (18) which is surrounded by the peripheral wall (17), and a cavity (19 ) between the peripheral wall (17) and a cooling channel (12) surrounding Kühlkanalwandung (13), wherein at a front end portion (20) of the sheet metal insert (15) of the cavity (19) sealed and the sheet metal insert (15) on the Kühlkanalwandung ( 13), characterized in that the cavity (19) is sealed by means of a lamellar seal (21), which is attached to the front end region (20) of the sheet metal insert (15) and the peripheral wall (17) of the sheet metal insert (15). surrounds the inner contour (22) of the lamellar seal (21) with the outer contour (23) of the peripheral wall (17) of the sheet metal insert (15), so that the lamellar seal (21) on the outer surface (24) of the peripheral wall (17). is applied, and wherein the lamellar seal (21) by adapting its outer contour (25) to the inner contour (26) of the cooling channel wall (13) is pressed into the cavity (19), so that the sheet metal insert (15) by means of the lamellar seal (21) the Kühlkanalwandung (13) is held.

Turbine blade (1) after Claim 1 , characterized in that the turbine blade (1) is at least partially made of metal or a superalloy, in particular a nickel-based alloy.

Turbine blade (1) after Claim 2 , characterized in that the lamellar seal (21) is made of a compared to the metal or the metal alloy of the airfoil (3) and / or the sheet metal insert (15), soft metal, in particular copper or aluminum.

Turbine blade (1) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that at least one lamella (28) of the lamellar seal (21) protrudes from the outer surface (24) of the peripheral wall (13) of the sheet metal insert (15) and the free end (30) of the lamella (28) in the direction of the insertion end ( 11) of the airfoil (3).

Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one lamella (28) of the lamellar seal (21) tapers towards its free end (30) to form a wedge shape.

Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the lamellar seal (21) comprises a plurality of fins (28).

Turbine blade (1) after Claim 6 Characterized in that the lamellae (28) are radially spaced apart.

Turbine blade (1) after Claim 6 or 7 , characterized in that the lamellae (28) are arranged at least substantially parallel to each other.

Turbine blade (1) according to one of Claims 6 to 8th , characterized in that the lamellar seal (21) comprises an annularly closed base body (27), the lamellae (28) projecting from the outer side (29) of the base body (27) in the direction of the cooling channel wall (13), so that the free ends (30) of the lamellae (28) contact the Kühlkanalwandung (13), and the inner side (31) of the base body (27) of the outer surface (24) of the peripheral wall (17) of the sheet metal insert (15) faces.

Turbine blade (1) after Claim 9 , characterized in that the inner side (31) of the base body (27) on the outer surface (24) of the peripheral wall (17) of the sheet metal insert (15) is present.

Turbine blade (1) after Claim 9 or 10 , characterized in that on the inside (31) of the base body (27) fastening projections (33) are provided, on which the lamellar seal (21) on the sheet metal insert (15) is attached.

Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the lamellar seal (21) by means of welding, in particular by means of spot welding and / or tack welding, soldering and / or a screw connection, on the sheet metal insert (15) is attached.

Turbine blade (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sheet metal insert (15) has a cross sectional shape corresponding to the cross-sectional shape of the blade (3) of the turbine blade (1).

Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity (19) by means of two disc seals (21) is sealed, which are fixed to the opposite, end-side end portions (20) of the sheet metal insert (15).