DE202011109225U1

DE202011109225U1 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE202011109225U1
Application number: DE202011109225U
Authority: DE
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-03-05
Anticipated expiration: 2021-12-20

Abstract

Turbinenschaufel einer Axialturbine, umfassend interne Passagen mit sich radial nach außen erstreckenden Passagen, mit Löchern in dem Schaufelfuß verbunden, wobei mindestens eines der Löcher von einer Platte bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte an dem Fuß der Turbinenschaufel durch ein federbeaufschlagtes Element gesichert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
STAND DER TECHNIK
Turbinenschaufeln, insbesondere Gasturbinenschaufeln, sind den sehr hohen Temperaturen des die Turbine antreibenden heißen Fluids ausgesetzt. Um eine Beschädigung der Schaufeln 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 der Druckseitenwand und der Saugseitenwand der Turbinenschaufel realisiert. Die Passagen erstrecken sich in der Regel über die Spannbreite von dem Fuß der Schaufel zu ihrer Spitze. Einige der Passagen bestehen aus einer einzelnen Passage mit einem Ausgangsanschluss nahe der Spitze der Schaufel und/oder mehreren Filmkühlungslöchern an der Kante oder an der Seitenwand der Schaufel. Andere Passagen können einen gekrümmten Weg verfolgen, der es dem Kühlfluid gestattet, beispielsweise von dem Fuß zu der Spitze und um eine 180°-Kehre zu strömen. Von der Spitze aus erstreckt er sich zu dem Fuß und um eine weitere 180°-Kehre, die ihn wieder zu der Spitze lenkt, wo er schließlich durch Ausgangsanschlüsse oder Filmkühlungslöcher austritt. Gekrümmte Kühlpassagen dieser Art sind beispielsweise aus EP 670953 bekannt. Sie gestatten einen großen internen Wärmetransfer mit einer minimalen Menge an Kühlluft.
Eine typische Schaufel nach dem Stand der Technik umfasst mehrere interne Passagen, die sich zwischen einer Fußsektion und einer Spitze radial nach innen und außen erstrecken. Eine erste interne Passage erstreckt sich von einer Eintrittsöffnung in der Fußsektion radial nach außen zu der Spitze der Schaufel. Kühlfluid kann von der Fußsektion durch die Passage fließen und über mehrere Kühlschlitze entlang der Hinterkante sowie durch ein Spitzenloch austreten. Eine zweite interne Passage erstreckt sich von einer Eintrittsöffnung radial nach außen entlang der Vorderkante der Schaufel. Kühlfluid strömt durch diese Passage und tritt über ein Spitzenloch und durch mehrere Reihen von Filmkühlungslöchern aus, die durch die Vorderkante der Schaufel gebohrt sind. Eine gekrümmte Passage umfasst eine Eintrittsöffnung an dem radial inneren Ende der Fußsektion, wobei sich eine erste Passage radial nach außen mit einem Spitzenloch 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 18 zu einer dritten Passage, die sich radial nach außen zu einem Spitzenloch 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 der Schaufel und/oder durch die Spitzenlöcher aus. Andere typische Schaufeln besitzen mehrere gekrümmte Kühlpassagen oder gekrümmte Passagen, die fünf Passagen mit vier Kehren umfassen.
Schaufeln mit einer internen gekrümmten Geometrie für die 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 bekannt. Es verwendet ein Wachsmaterial als Blockiermaterial.
Ein weiterer geeigneter Bohrprozess könnte ein Ionenstrahlbohrprozess sein.
Während des Prozesses des Gießens der internen Passagen ist es wegen der thermischen Beanspruchung, die durch die unterschiedlichen Erhitzungs- und Kühlraten 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 gekrümmten Passagen und zum Stützen des Kerns während des Gießprozesses nutzt konisch geformte Merkmale in dem Kern. Diese konischen Merkmale sind als Teil des Kerns ausgebildet und erstrecken sich von der Fußsektion 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, wird das konische Merkmal 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. Das Wärmeisolationssystem besteht oftmals aus drei Schichten: dem Metallsubstrat, einer metallischen Bondschicht und der TBC-Keramikdeckschicht. Die Keramikdeckschicht besteht in der Regel aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid (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 der Oberfläche. Nach dem Auftragen auf die Turbinenschaufel ist nachfolgendes Schweißen und/oder Hartlöten auf wirtschaftliche Weise nicht machbar.
Aus US 2002197161 A1 ist ein Blatt bekannt, das interne Kühlluftpassagen umfasst, die auf gekrümmte Weise mit einer oder mehreren, sich radial nach außen und radial nach innen erstreckenden Passagen angeordnet ist. Die Passagen stehen durch Kehren von etwa 180° in Fluidverbindung. Gemäß der Erfindung werden die Kehren nahe der Plattform des Blatts, 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 der Fußsektion des Blatts 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.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Turbinenschaufel, 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 auf ein neues oder existierendes Design von Schaufeln anwenden lassen, d. h. für neue Produkte und nachgerüstete Schaufeln.
Diese Aufgaben werden von der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel einer Axialturbine bereitgestellt, die interne Passagen, z. B. Kühlfluidpassagen, umfasst, wobei sich radial nach außen erstreckende Passagen mit Löchern in dem Schaufelfuß verbunden sind, wobei mindestens eines der Löcher von einer Platte bedeckt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platte an dem Fuß der Turbinenschaufel durch ein federbeaufschlagtes Element gesichert 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. Somit werden die an der Fußsektion angeordneten Löcher 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. für neue Produkte und nachgerüstete Schaufeln. Die vorliegende Erfindung kann mit allen Turbinenschaufeln verwendet werden, die die Schließung eines Lochs erfordern, z. B. ein Kern-Printout oder ein Kernprofilausgang in der Fußsektion.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Platte durch einen Sicherungsring lösbar gesichert ist. Bei dieser Lösung kann ein ohne weiteres erhältlicher Sicherungsring verwendet werden und es kann eine relativ einfache Plattengeometrie verwendet werden. In dem Fuß der Turbinenschaufel wird nur eine Teilnut benötigt, um die Platte sicher anzubringen. Auf die gleich leichte Weise kann die Platte entfernt werden, indem zuerst der Sicherungsring entfernt wird. Somit kann Wartungsarbeit des Fußes der Turbinenschaufel und der Kühlpassage leicht durchgeführt werden.
Eine alternative Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Platte durch ein federbeaufschlagtes Element, das ein intergraler Teil der Platte ist, lösbar gesichert ist. Dies können beispielsweise ein oder mehrere Federarme sein, die entlang der Länge der Platte angeordnet sind. Die Enden solcher Federarme können in jeweiligen Nuten an dem Fußabschnitt festgehalten werden. Eine typische Anwendung könnte beispielsweise die Niederdruckturbinenstufe einer Gasturbine sein, insbesondere einer stationären Gasturbine.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Platte eine Blendenöffnung umfasst. Während die Platte gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein als Verschluss verwendet werden kann, kann sie auch als eine Dosierplatte mit einer Dosieröffnung verwendet werden.
Eine noch weitere vorteilhafte Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Schaufel eine Tannenbaumfußsektion aufweist. Auf diese Weise ist die Platte doppelt verriegelt und kann sich selbst dann nicht herausbewegen, wenn das Federglied versagt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass der Fußabschnitt der Schaufel eine Nut zum Aufnehmen mindestens eines Teils des federbeaufschlagten Elements umfasst. 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 Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Platte aus einer wärmebeständigen Legierung hergestellt ist, die aus einem Blechmaterial hergestellt ist. Eine derartige Legierung kann beispielsweise Hastaloy X oder ähnlich sein.
Ein Prozess zum Herstellen einer Turbinenschaufel einer Axialturbine, umfassend interne Passagen mit sich radial nach außen erstreckenden Passagen, verbunden mit Löchern in dem Schaufelfuß, wobei mindestens eines der Löcher von einer Platte bedeckt ist, umfasst die folgenden Schritte:

– maschinelles Einarbeiten eines Plattensitzes zum abdichtenden Aufnehmen der Platte;
– maschinelles Einarbeiten einer Nut zum Aufnehmen mindestens eines Teils des federbeaufschlagten Elements;
– Montieren der Platte und Sichern der Platte mit dem federbeaufschlagten Element.

Nach dem Montieren der Platte, indem sie mit dem federbeaufschlagten Element gesichert wird, kann der Schritt des TBC der Schaufel angewendet werden, da bei der Montage der Platte weder Schweißen noch Hartlöten erforderlich ist.
Dieser Prozess kann sehr vorteilhaft sein, wenn er zum Nachrüsten existierender Turbinenschaufeln verwendet wird, da die Materialstruktur der existierenden Schaufel 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 bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden wird. es zeigen:
1 einen spannweitigen Querschnitt einer Turbinenschaufel mit einem Plattendeckel in der Fußsektion gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Unteransicht der Turbinenschaufel von 1;
3 eine mit einem Sicherungsring gesicherte Platte;
4 eine Querschnittsansicht entlang Linie A-A von 3;
5 eine alternative Platte mit integraler Feder;
6 die alternative Ausführungsform von 5, an dem Fußabschnitt einer Turbinenschaufel angebracht.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG 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 sind nur zu erläuternden Zwecken gedacht.
1 zeigt einen spannweitigen Querschnitt einer Turbinenschaufel 1 einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung. Er erstreckt sich von der Fußsektion 2 zu der Spitze 3 und umfasst mehrere interne Passagen 4. Weiterhin zeigt 2 eine Unteransicht der Turbinenschaufel von 1. Eine Einzeldurchlaufpassage 4 erstreckt sich von der Öffnung 5 für Kühlluft an dem Fuß 2 radial nach außen zu der Spitze 3. Kühlluft kann durch Kühlschlitze 6 entlang der Hinterkante 7 und ein Spitzenloch 8 austreten. Eine zweite Einzeldurchlaufpassage 10 erstreckt sich entlang der Vorderkante 12 von der Eintrittsöffnung 11 zu der Spitze, wo sie ein Spitzenloch 13 für die Kühlluft umfasst. Eine Dreidurchlaufsserpentinenpassage besteht bei diesem Beispiel der Erfindung aus einer Einrittsöffnung 14 für die Kühlluft an dem Fuß der Schaufel, Passagen 15a und b, die durch eine erste 180°-Kehre 16 in Fluidverbindung stehen, und eine Passage 15c, die durch die zweite 180°-Fußkehre 20 mit der Passage 15b in Fluidverbindung steht. Die sich radial nach innen erstreckende Passage 15b wird durch die inneren Oberflächen der Druck- und Saugseitenwände der Schaufel und eine erste Wand 15d gebildet, die sie von der stromaufwärtigen und sich radial nach außen erstreckenden Passage 15a trennt, und schließlich durch eine zweite Wand 15f, die sie von der stromabwärtigen und sich radial nach außen erstreckenden Passage 15c trennt. Gemäß 1 erstreckt sich die 180°-Fußkehre 20 zu dem radial inneren Ende des Fußabschnitts 2 bis zu der Höhe der Eintrittsöffnungen 5, 11 und 14. Sie wird durch die inneren Oberflächen der Saug- und Druckseitenwände und die radialinneren Verlängerungen der Wände 15d und 15e gebildet. Die sich radial nach außen erstreckende Passage 15c der Serpentinenpassage wird auf einer Seite von der Seitenwand 15e definiert, die sie von der Kühlpassage 10 trennt. Das Kühlfluidspeisezufuhrloch 23 der Fußkehre 20 ist schließlich mit Hilfe einer Deckplatte 21 verschlossen, die durch einen Sicherungsring 22 lösbar an dem Fuß 2 der Turbinenschaufel 1 gesichert ist, wie auch in 2 zu sehen ist.
3 zeigt eine Platte 25, die mit einem Sicherungsring einer alternativen Einrichtung gesichert ist. 4 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 3. Die Platte weist eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt mit abgerundeten Kanten auf und ist abdichtend auf einem über EDM maschinell bearbeiteten Sitz 27 an dem Kühlzufuhrversorgungsloch 23 platziert und lösbar durch einen Sicherungsring 22 gesichert, der in einer durch EDM maschinell bearbeiteten Nut 28 in Eingriff steht. Diese Platte 25 ist mit einem Blendenloch 26 versehen. Somit kann die Platte 25 als eine Dosierplatte zum Dosieren des Luftstroms verwendet werden. Die Platte 25 besteht aus einer aus einem Blechmaterial hergestellten wärmebeständigen Legierung, bei der vorliegenden Ausführungsform Hastaloy X. In 4 zeigt der fette Aufwärtspfeil den Kühlluftstrom.
5 zeigt eine alternative Platte 30 mit integralen Federarmen 31, während 6 die alternative Ausführungsform 5 zeigt, an dem Fußabschnitt 2 einer Turbinenschaufel angebracht. Die Platte weist eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt mit abgerundeten Kanten auf, wobei die integralen Federarme 31 entlang der Länge der Platte 30 angeordnet sind, durch einen schmalen Spalt von dem Plattenkörper getrennt und mit dem Hauptkörper dieser Platte nur durch schmale Verbindungsabschnitte verbunden. Die Enden 32 solcher Federarme 31 zeigen nach außen, weg von dem Plattenkörper, und können in jeweiligen Nuten oder Taschen 33 an dem Fußabschnitt 2 festgehalten werden. Der Sitz für die Platte 30 sollte ausreichend Fläche bereitstellen, um eine stabile und abdichtende Abdeckung des Lochs 34 zu garantieren. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Abstand d, der als der Raum zwischen der Außenkontur des Plattenkörpers und der Kante des Lochs 34 gezeigt ist (gepunktete Linie) zwischen 1 mm bis 3 mm bei einer Gesamtplattenlänge von etwa 30 mm und einer Federarmlänge von etwa 20 mm. Die Breite der Federarme variiert zwischen ca. 0,5 mm und ca. 1 mm. Die Platte besteht aus einem Blech Hastaloy X und weist eine Dicke von etwa 1 mm auf.
Offensichtlich sind angesichts der obigen Lehren zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist deshalb zu verstehen, dass die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche anderweitig als hierin spezifisch beschrieben praktiziert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenschaufel
2: Fußsektion
3: Spitze
4: interne Passage
5: Öffnung
6: Kühlschlitz
7: Hinterkante
8: Spitzenloch
10: Passage
11: Eintrittsöffnung
12: Vorderkante
13: Spitzenloch
14: Eintrittsöffnung
15: Passage, Seitenwand
16: Kehre
20: Fußkehre
21: Platte
22: Sicherungsring
23: Zufuhrloch
25: Platte
26: Blendenöffnung
27: Sitz
28: Nut
30: Platte
31: Federarme
32: Ende des Federarms
33: Tasche
34: Loch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 670953 [0002]
EP 854005 [0004]
EP 1267040 [0007]
US 2002197161 A1 [0009]

Claims

Turbinenschaufel einer Axialturbine, umfassend interne Passagen mit sich radial nach außen erstreckenden Passagen, mit Löchern in dem Schaufelfuß verbunden, wobei mindestens eines der Löcher von einer Platte bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte an dem Fuß der Turbinenschaufel durch ein federbeaufschlagtes Element gesichert wird.
Turbinenschaufel einer Axialturbine nach Anspruch 1, wobei die Platte durch einen Sicherungsring lösbar gesichert ist.
Turbinenschaufel einer Axialturbine nach Anspruch 1, wobei die Platte durch ein federbeaufschlagtes Element lösbar gesichert ist, das ein integraler Teil der Platte ist.
Turbinenschaufel einer Axialturbine nach Anspruch 1, wobei die Platte eine Blendenöffnung umfasst.
Turbinenschaufel einer Axialturbine nach Anspruch 1, wobei die Schaufel eine Tannenbaumfußsektion aufweist.
Turbinenschaufel einer Axialturbine nach Anspruch 1, wobei der Fußabschnitt der Schaufel eine Nut zum Aufnehmen mindestens eines Teils des federbeaufschlagten Elements umfasst.
Turbinenschaufel einer Axialturbine nach Anspruch 1, wobei die Platte aus einer wärmebeständigen Legierung hergestellt ist, die aus einem Blechmaterial hergestellt ist.