EP1215363B1 - Cooled gas turbine blade - Google Patents
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- EP1215363B1 EP1215363B1 EP01128573A EP01128573A EP1215363B1 EP 1215363 B1 EP1215363 B1 EP 1215363B1 EP 01128573 A EP01128573 A EP 01128573A EP 01128573 A EP01128573 A EP 01128573A EP 1215363 B1 EP1215363 B1 EP 1215363B1
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- turbine blade
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- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2250/191—Two-dimensional machined; miscellaneous perforated
Definitions
- the invention relates to a cooled gas turbine blade with a Shroud in which a cooling channel system is provided, which is radially to Gas turbine blade is completed with a cover plate.
- the heat-exposed plant components can be increased by providing appropriate cooling duct systems through targeted supply of Cooling air actively cooled.
- Gas turbine blades are present in a manner known per se, regardless of whether they are to guide or moving blades, usually from a blade root and an airfoil, which is usually projected radially from a shroud.
- the im Inside a gas turbine blade provided cooling system is usually from a plurality of individual cooling channels extending radially from the sides of the blade root extend through the entire turbine blade to the shroud.
- Within the shroud cooling duct areas are provided in which the cooling air and Deflection flow guide structures are provided to the cooling effect within to improve the shroud.
- the cooling channels producing casting core present turbine blade especially in the area of the shroud large openings, although a subsequent insertion of the aforementioned flow guide structures,
- a baffle-cooling plate but allow, it is gas-tight seal.
- Closure plate or so-called cover plate usually with the shroud the gas turbine blade is connected by means of high temperature soldering.
- Fig. 2a to 2c is a known connection between a cover plate. 6 and the shroud 2 of a turbine blade.
- Fig. 2a is a perspective view of a turbine blade with an airfoil 1 and a shroud 2 shown.
- the shroud 2 has two each with a groove contour. 3 trained side edges 4 and 5, along which a cover plate. 6 is inserted positively.
- the cross section along the section line S1 is shown in FIG. 2b.
- the groove contour 3 partially covers the in the shroud. 2 inserted cover plate 5, in addition to the positive connection between the groove contour 3 and the cover plate 6 is fixed by a solder joint 7. From the Cross-sectional view according to FIG. 2b are those between the cover plate 6 and the cover band 2 enclosed cooling channels K to remove through the cooling air by not shown in the further cooling system within the Gas turbine blade is passed.
- the invention is based on the object, a cooled gas turbine blade with a shroud, in which a cooling channel system is provided, which is radially to the Gas turbine blade is completed with a cover plate to train such that the cover plate is provided with the shroud in a secure manner and at the above-mentioned total loss of the cover plate are excluded can. Furthermore, leakage losses occur when cracks occur in the joint connection between the cover plate and the shroud to minimize crucial. The too appropriate measures should thereby only a small design effort by which the manufacturing cost of cooled gas turbine blades not or only slightly more expensive.
- a cooled gas turbine blade according to the preamble of Claim 1 formed such that the cover plate has a peripheral edge, along the entire extent of the cover plate with the shroud of Gas turbine blade a continuous form joint or a variety locally Limited form compounds received.
- an inventively designed shroud looks at the shape and size of the peripheral edge of the cover plate adapted receiving contour in Meaning of a box frame, in which the cover plate radially to the full extent can be inserted.
- the receiving contour preferably has one stepped cross-section, comparable to that of a picture frame in which a Picture can be pasted on the back.
- the step-shaped cross-section of Receiving contour in this case has a radially or obliquely radially first and one axially oriented second step surface, the so-called contact surface, on the the cover plate can be placed with its entire peripheral edge.
- the Direction data radially or axially refer to conventional Directional information, in conjunction with an axial flowed rotor assembly usually used within a gas turbine plant.
- a joining agent preferably soldering material
- the solder material is selected such that the Solders after the soldering and / or heat treatment process no or only has a low ductility, so is brittle.
- solder material inherent brittleness occur at the beginning of the first commissioning of the gas turbine blades due to thermally induced Deformations cracks within the solder seam, which turn out to be "zigzag” shaped form extending fracture lines or surfaces and the soldering seam completely push through. Surprisingly, it is precisely these training Fracture surfaces that guarantee a secure fit and also to a BiegeHarsstage solder joint between cover plate and shroud contribute.
- the forming within the solder seam hair tear basically a Cooling air leakage is limited by the cooling air from that of the cover plate Cooling air system within the gas turbine blade can escape to the outside, but this cooling air loss is negligible and does not matter further.
- form on the surfaces of the crack within the solder seam Oxidation layers on the one hand able to reduce the crack gap and in addition, for a play-free fit of the cover plate within the through Lötnaht predetermined positive connection despite prevailing large Ensure vibrations during operation of the gas turbine.
- this provides the first, preferably radially oriented step surface of the receiving contour within the shroud a circumferential mounting groove in front, in the at least half the outer contour of a Snap ring can engage, which surrounds the cover plate in a suitable form.
- One Inserting the cover plate in the receiving contour of the shroud is done by mechanical constriction of the circlip following correspondingly have within the mounting groove in the shroud spread out and thus a positive connection between shroud and cover plate guaranteed.
- rod-shaped holding means to create a Positive connection between cover plate and shroud can be used by passing them through suitable holes in the cover plate and the Shroud to be inserted.
- the rod-like holding means can tangential or radial running between cover plate and shroud in corresponding mounting holes are inserted. While being on this Do not cover the top plate along its entire peripheral edge continuous positive connection with the shroud has, as it is in a circumferential solder joint is the case, but is also in this way for a secure fit of the cover plate provided in the shroud.
- Fig. 1a shows a perspective top view of a gas turbine blade with a Shroud 2, which at its radially oriented upper side a rectangular Recess 10 provides, in which the cover plate 6 radially from above completely is inserted. Between the cover plate 6 and the shroud 2 is a solder seam. 7 introduced, which completely surrounds the peripheral contour of the cover plate 6.
- Fig.1b is a cross section through an arbitrary position transverse to the receiving contour shown within the shroud 2.
- the receiving contour of the shroud 2 has a first obliquely radially directed first step surface 11 and one axially oriented second step surface, the so-called support surface 12.
- the step depth the receiving contour is preferably just chosen so that the surface of the Cover plate 6 is flush with the surface of the shroud 2.
- a Intermediate gap 13 is provided, which is at least chosen so large that a simple Inserting the cover plate 6 in the receiving contour of the shroud 2, due to a existing installation play 16 is possible.
- the between the cover plate 6 and the shroud 2 located intermediate gap 13 is subsequently with solder 14th completely filled and soldered, the solder 14 has the lowest possible Has ductility or high brittle hardness after the soldering process.
- FIG. 3a shows such a crack 15, which consists of two Zigzag-shaped, directly opposite fracture surfaces composed. Since the crack course takes a statistical course and thus along the fracture surfaces has fracture surface portions which are inclined to the Radial direction of the gas turbine blade and thus to the at the Gas turbine blade attacking centrifugal forces are inclined, wearing an intimate Gearing between the cover plate 6 and the shroud along the Lötnaht thereto in that the cover plate 6 can not come off the shroud 2. Furthermore allows the loose multi-pronged form-fitting connection a stress-free seat the cover plate 6 within the shroud, whereby the cover plate 6 lower mechanical stresses as well as vibrations is exposed.
- Fig. 3b shows a joining variant using an additional Closure strip 16, which is soldered on both sides by two solder seams 7, 7 '.
- the Closure strip 16 is made of a high temperature resistant material, which has a much higher ductility than the material itself, so that the Closure strip 16 to a vibration damping of the cover plate 6 within contributes the shroud 2.
- FIG. 4a the insertion process of the cover plate 6 is shown in the receiving contour of the shroud 2.
- An installation play 16 present between the cover strip 2 and the cover plate 6 ensures unimpeded radial insertion of the cover plate 6 into the cover strip 2.
- FIG. 4b shows the insertion of a closure piece 17 as a function of a mechanical holding means 18 , which is integrally formed as a molded part in the intermediate gap 13 is inserted.
- the closure piece 1 7 has a sufficiently high ductility and high temperature resistance, so that it is able to transfer the forces occurring between the cover plate 6 and the shroud 2 harmless.
- Fig. 4c a force distribution between the cover plate 6, the closure piece 17 and the shroud 2 is shown.
- Fig. 5a, b and c are different embodiments of Positive connection between the cover plate 6 and the shroud. 2 shown.
- Fig. 5a is a radially directed gap between shroud 2 and Cover plate 6 filled with solder material.
- Fig. 5b shows an obliquely radially inclined soldering gap.
- Fig. 5c the intermediate gap between the cover plate 6 and Shroud 2 radially formed and only in the upper region is a wedge-shaped solder joint 7 introduced. This surpasses this Shroud 2, the cover plate 6 a little, so that a dreieickförmiger solder wedge. 7 can form between shroud 2 and cover plate 6.
- a Set crack course which is approximately 45 ° relative to the radial direction and thus to a stable positive connection between the cover plate 6 and the Shroud 2 leads.
- Fig. 6 shows For this purpose, a corresponding connection cross section between cover plate 6 and Shroud 2. Between the shroud 2 and the cover plate 6 is a snap ring 18th introduced on both sides partially in the peripheral edge of the cover plate 6 and in the shroud 2 protrudes.
- a snap ring 18 rod-shaped molded body can be provided by lateral mounting openings within the cover strip and the cover plate can be introduced.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit einem Deckband, in dem ein Kühlkanalsystem vorgesehen ist, das radial zur Gasturbinenschaufel mit einer Deckplatte abgeschlossen ist.The invention relates to a cooled gas turbine blade with a Shroud in which a cooling channel system is provided, which is radially to Gas turbine blade is completed with a cover plate.
Im Bestreben der Wirkungsgradsteigerung von Strömungskraftmaschinen, insbesondere von Gasturbinenanlagen, spielt die Erreichbarkeit möglichst hoher Verbrennungstemperaturen eine besonders wichtige Rolle, zumal hierdurch der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses direkt optimierbar ist. Hohe Verbrennungstemperaturen haben jedoch zur Folge, dass die den beim Verbrennungsprozess entstehenden Heissgasen ausgesetzten Gasturbinenkomponenten überaus hohen thermischen Materialbelastungen unterliegen. Letztere bilden zugleich auch die derzeit herrschenden technischen Grenzen für eine mögliche weitere Erhöhung der Verbrennungstemperaturen, zumal die innerhalb der Brennkammer erzielbaren Temperaturen weit über den thermischen Belastungsgrenzen jener Materialien liegen, aus denen die im Heisskanal der Gasturbine befindlichen Gasturbinenkomponenten bestehen, allen voran die Gasturbinenschaufeln.In an effort to increase the efficiency of flow engines, in particular of gas turbine plants, the accessibility plays as high as possible Combustion temperatures a particularly important role, especially as a result of the thermal efficiency of the combustion process is directly optimized. Height Combustion temperatures, however, have the consequence that the Combustion process resulting hot gases exposed Gas turbine components exceedingly high thermal material loads subject. At the same time, the latter form the currently prevailing technical ones Limits for a possible further increase in the combustion temperatures, especially the recoverable within the combustion chamber temperatures far above the thermal load limits of those materials that make up the Hot runner of the gas turbine gas turbine components exist, all ahead the gas turbine blades.
Um die thermischen Belastungsgrenzen der im Heissgaskanal befindlichen Anlagenkomponenten trotz bestehenden materialbestimmten Maximaltemperaturen dennoch steigern zu können, werden die hitzeexponierten Anlagenkomponenten durch Vorsehen entsprechender Kühlkanalsysteme durch gezielte Zufuhr von Kühlluft aktiv gekühlt. To the thermal load limits of the located in the hot gas duct Plant components despite existing material-specific maximum temperatures Nevertheless, the heat-exposed plant components can be increased by providing appropriate cooling duct systems through targeted supply of Cooling air actively cooled.
Wie bereits vorstehend erwähnt, erfordern aufgrund der thermisch starken Belastung die der in Strömungsrichtung der Brennkammer nachgeordneten Gasturbinenschaufeln höchst effektive Kühlmaßnahmen um die für einen Dauerbetrieb erforderlichen, materialbedingten Grenztemperaturen innerhalb der Schaufelanordnungen nicht zu überschreiten.As mentioned above, due to the thermally heavy load downstream of the in the flow direction of the combustion chamber Gas turbine blades highly effective cooling measures for a Continuous operation required, material-related limit temperatures within the Not to exceed blade arrangements.
In an sich bekannter Weise bestehen Gasturbinenschaufeln, gleichgültig ob es sich um Leit- oder Laufschaufeln handelt, üblicherweise aus einem Schaufelfuß und einem Schaufelblatt, das zumeist radial von einem Deckband überragt ist. Das im Inneren einer Gasturbinenschaufel vorgesehene Kühlsystem besteht in aller Regel aus einer Vielzahl einzelner Kühlkanäle, die sich von Seiten des Schaufelfußes radial durch die gesamte Turbinenschaufel bis hin zum Deckband erstrecken. Innerhalb des Deckbandes sind Kühlkanalbereiche vorgesehen, in denen zur Kühlluftab- und umlenkung Strömungsleitstrukturen vorgesehen sind, um die Kühlwirkung innerhalb des Deckbandes zu verbessern.Gas turbine blades are present in a manner known per se, regardless of whether they are to guide or moving blades, usually from a blade root and an airfoil, which is usually projected radially from a shroud. The im Inside a gas turbine blade provided cooling system is usually from a plurality of individual cooling channels extending radially from the sides of the blade root extend through the entire turbine blade to the shroud. Within the shroud cooling duct areas are provided in which the cooling air and Deflection flow guide structures are provided to the cooling effect within to improve the shroud.
Aus Gründen, die sich aus dem Gussverfahren bei der Schaufelherstellung ergeben, weist eine als Halbfertigprodukt nach dem Gussverfahren und Entfernen des unter anderem die Kühlkanäle erzeugenden Gusskerns, vorliegende Turbinenschaufel insbesondere im Bereich des Deckbandes große Öffnungen auf, die zwar ein nachträgliches Einfügen vorstehend genannter Strömungsleitstrukturen, beispielsweise einer Prall- Kühlplatte, erlaube, die es jedoch gilt, gasdicht abzudichten. Hierzu dient eine weitgehend an die Öffnungskontur angepasste Verschlussplatte oder sogenannte Deckplatte, die üblicherweise mit dem Deckband der Gasturbinenschaufel mittels Hochtemperaturlöten verbunden wird.For reasons that arise from the casting process in blade manufacture, has a semi-finished product after the casting process and removal of the other, the cooling channels producing casting core, present turbine blade especially in the area of the shroud large openings, although a subsequent insertion of the aforementioned flow guide structures, For example, a baffle-cooling plate, but allow, it is gas-tight seal. For this serves a largely adapted to the opening contour Closure plate or so-called cover plate, usually with the shroud the gas turbine blade is connected by means of high temperature soldering.
In Fig. 2a bis 2c ist eine an sich bekannte Verbindung zwischen einer Deckplatte 6
und dem Deckband 2 einer Turbinenschaufel dargestellt. In Fig. 2a ist eine
perspektivische Darstellung einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt 1 und
einem Deckband 2 gezeigt. Das Deckband 2 weist zwei jeweils mit einer Nutkontur 3
ausgebildete Seitenkanten 4 und 5 auf, entlang derer eine Deckplatte 6
formschlüssig eingeschoben ist. Der Querschnitt entlang der Schnittlinie S1 ist in Fig.
2b dargestellt. Die Nutkontur 3 überdeckt teilweise die in das Deckband 2
eingeschobene Deckplatte 5, die neben dem Formschluss zwischen Nutkontur 3 und
der Deckplatte 6 durch eine Lötverbindung 7 fixiert ist. Aus der
Querschnittsdarstellung gemäß der Fig. 2b sind die zwischen der Deckplatte 6 und
dem Deckband 2 eingeschlossenen Kühlkanäle K zu entnehmen, durch die Kühlluft
durch das nicht im weiteren dargestellte Kühlsystem innerhalb der
Gasturbinenschaufel geleitet wird.In Fig. 2a to 2c is a known connection between a cover plate. 6
and the
Kommt es entlang der form- und stoffschlüssigen Fügeverbindung entlang der
Seitenkanten 4 und 5 zu einem Bruch innerhalb der Lötverbindung 7, so kann sich
die Deckplatte 6 längs der Seitenkante 4 aufgrund des bestehenden Formschlusses
vom Deckband 2 nicht lösen. Anders sieht es jedoch längs der in Fig. 2a vorderen
und hinteren Seitenkanten 8 und 9 aus, deren zugehöriger Schnitt längs der
Schnittlinie S2 in Fig. 2c dargestellt ist. Längs der Seitenkanten 8 und 9 ist die
Deckplatte 6 lediglich über eine Lötverbindung 7 im Wege einer metallurgischen
Verbindung mit dem Deckband 2 verfügt. Es besteht in diesem Fall kein zusätzlicher
Formschluss. Treten jedoch im Bereich dieser Fügeverbindung aufgrund der hohen
thermischen Belastungen sowie mechanischen Deformationen, die sich im Betrieb
einer Gasturbine ergeben, Risse innerhalb der Lötverbindung 7 auf, so kommt es
unvermeidbar zu lokalen Ablösungen zwischen der Deckplatte 6 und dem
Deckband 2, die schließlich zum Totalverlust der Deckplatte 6 führen. Ein derartiger
Deckplattenverlust führt jedoch zu einem katastrophalen Schaden innerhalb der
Gasturbinenanlage, durch den die Anlage stillgelegt werden muss, um umfangreiche
Instandsetzungsmaßnahmen durchführen zu können. Eine vorstehend beschriebene Gasturbinenschaufel ist beispielsweise der EP 0 911 489 B1 zu entnehmen.Is it along the positive and cohesive joint connection along the
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit einem Deckband, in dem ein Kühlkanalsystem vorgesehen ist, das radial zur Gasturbinenschaufel mit einer Deckplatte abgeschlossen ist, derart auszubilden, dass die Deckplatte mit dem Deckband in einer sicheren Weise verfügt ist und bei der der vorstehend genannte Totalverlust der Deckplatte ausgeschlossen werden kann. Ferner gilt es Leckageverluste bei auftretenden Rissen in der Fügeverbindung zwischen der Deckplatte und dem Deckband entscheidend zu minimieren. Die zu treffenden Maßnahmen sollen dabei einen nur geringen konstruktiven Aufwand erfordern, durch den die Herstellungskosten von gekühlten Gasturbinenschaufeln nicht oder nur unwesentlich verteuert werden.The invention is based on the object, a cooled gas turbine blade with a shroud, in which a cooling channel system is provided, which is radially to the Gas turbine blade is completed with a cover plate to train such that the cover plate is provided with the shroud in a secure manner and at the above-mentioned total loss of the cover plate are excluded can. Furthermore, leakage losses occur when cracks occur in the joint connection between the cover plate and the shroud to minimize crucial. The too appropriate measures should thereby only a small design effort by which the manufacturing cost of cooled gas turbine blades not or only slightly more expensive.
Die der Aufgabe zugrundeliegende Lösung ist im Anspruch 1 angegeben. Die den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The object of the underlying solution is specified in claim 1. The the Inventive ideas advantageous further-forming features are the subject of Dependent claims and the description with reference to the Refer to exemplary embodiments.
Erfindungsgemäß ist eine gekühlte Gasturbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass die Deckplatte einen Umfangsrand aufweist, längs dessen gesamten Erstreckung die Deckplatte mit dem Deckband der Gasturbinenschaufel eine durchgehende Formverbindung oder eine Vielzahl lokal begrenzter Formverbindungen eingeht.According to the invention, a cooled gas turbine blade according to the preamble of Claim 1 formed such that the cover plate has a peripheral edge, along the entire extent of the cover plate with the shroud of Gas turbine blade a continuous form joint or a variety locally Limited form compounds received.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik gemäß der in Fig. 2a dargestellten Gasturbinenschaufel, die lediglich an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten aufgrund der dort vorhandenen Aufnahmenut eine Formverbindung zwischen der Deckplatte und dem Deckband gewährleistet, gilt es auch längs der anderen beiden Seitenkanten entsprechende Formschlussverbindungen vorzusehen, so dass die Deckplatte möglichst entlang ihres gesamten Umfangsrandes mit dem Deckband einer Gasturbinenschaufel eine Formschlussverbindung eingeht.Starting from the initially described prior art according to the in Fig. 2a illustrated gas turbine blade, the only two opposite Side edges due to the existing there receiving groove a mold connection ensured between the cover plate and the shroud, it is also along the provide other form-fitting connections to other two side edges, so that the cover plate as possible along its entire peripheral edge with the Shroud a gas turbine blade enters a positive connection.
Konstruktions- und montagebedingt kann diesem Erfordernis durch die an sich
bekannte Gasturbinenschaufel gemäß Fig. 2a nicht entsprochen werden, zumal die
Deckplatte zur Montage seitlich längs zu den Seitenkanten 4 und 5 in die
Aufnahmenut 3 eingeschoben wird. Ein mögliches, nachträgliches Anbringen
entsprechender nutförmig ausgebildeter Längsleisten längs der Seitenkanten 8 und 9
an dem in Fig. 2a dargestellten Deckbands 2 würde den Gesamtaufwand in der
Herstellung der Gasturbine entscheidend erhöhen, zudem stellen die für das
Anbringen derartig möglicher Seitenleisten erforderlichen Lötnähte weitere
mechanische "Sollbruchstellen" dar.Due to design and assembly, this requirement can by itself
known gas turbine blade according to Fig. 2a are not met, especially the
Cover plate for mounting laterally along the
Demgegenüber sieht ein erfindungsgemäß ausgebildetes Deckband ein an die Form und Größe des Umfangsrandes der Deckplatte angepasste Aufnahmekontur im Sinne eines Kastenrahmens vor, in die die Deckplatte radialwärts vollständig eingefügt werden kann. Die Aufnahmekontur weist vorzugsweise einen stufenförmigen Querschnitt auf, vergleichbar dem eines Bilderrahmens, in dem ein Bild rückseitig eingefügt werden kann. Der stufenförmige Querschnitt der Aufnahmekontur weist hierbei eine radial- oder schräg radialwärts erste und eine axialwärts orientierte zweite Stufenfläche, die sogenannte Auflagefläche auf, auf der die Deckplatte mit ihrem gesamten Umfangsrand ablegbar ist. Die Richtungsangaben radial- bzw. axialwärts beziehen sich auf übliche Richtungsangaben, die in Verbindung mit einer axialdurchströmten Rotoranordnung innerhalb einer Gasturbinenanlage üblicherweise verwendet werden.In contrast, an inventively designed shroud looks at the shape and size of the peripheral edge of the cover plate adapted receiving contour in Meaning of a box frame, in which the cover plate radially to the full extent can be inserted. The receiving contour preferably has one stepped cross-section, comparable to that of a picture frame in which a Picture can be pasted on the back. The step-shaped cross-section of Receiving contour in this case has a radially or obliquely radially first and one axially oriented second step surface, the so-called contact surface, on the the cover plate can be placed with its entire peripheral edge. The Direction data radially or axially refer to conventional Directional information, in conjunction with an axial flowed rotor assembly usually used within a gas turbine plant.
Zwischen dem Umfangsrand der in die Aufnahmekontur eingesetzten Deckplatte und der radial- oder schräg radialwärts orientierten ersten Stufenfläche ist ein Zwischenspalt vorgesehen, in den ein Fügemittel, vorzugsweise Lötmaterial, einbringbar ist. Vorzugsweise ist das Lötmaterial derart gewählt, dass das Lötmaterial nach erfolgtem Löt- und/oder Wärmebehandlungsprozess keine oder nur eine geringe Duktilität aufweist, also spröde ist.Between the peripheral edge of the cover plate used in the receiving contour and the radially or obliquely radially oriented first step surface is a Intermediate gap provided, in which a joining agent, preferably soldering material, can be introduced. Preferably, the solder material is selected such that the Solders after the soldering and / or heat treatment process no or only has a low ductility, so is brittle.
Durch die dem Lötmaterial innewohnende Sprödigkeit treten bereits zu Beginn der ersten Inbetriebnahme der Gasturbinenschaufeln aufgrund thermisch bedingter Deformationen Risse innerhalb der Lötnaht auf, die sich als "zickzack"-förmig verlaufende Bruchlinien bzw. -flächen ausbilden und die Lötnaht vollständig durchsetzen. Erstaunlicherweise sind es gerade diese sich ausbildenden Bruchflächen, die einen sicheren Formschluss garantieren und überdies zu einer biegespannungsfreien Lötverbindung zwischen Deckplatte und Deckband beitragen. By the solder material inherent brittleness occur at the beginning of the first commissioning of the gas turbine blades due to thermally induced Deformations cracks within the solder seam, which turn out to be "zigzag" shaped form extending fracture lines or surfaces and the soldering seam completely push through. Surprisingly, it is precisely these training Fracture surfaces that guarantee a secure fit and also to a Biegespannungsfreie solder joint between cover plate and shroud contribute.
Zwar stellt der sich innerhalb der Lötnaht ausbildende Haar-Riss grundsätzlich eine Kühlluftleckage dar, durch den Kühlluft aus dem von der Deckplatte begrenzten Kühlluftsystem innerhalb der Gasturbinenschaufel nach außen entweichen kann, doch ist dieser Kühlluftverlust verschwindend klein und fällt nicht weiter ins Gewicht. Zudem bilden sich an den Oberflächen des Risses innerhalb der Lötnaht Oxidationsschichten aus, die einerseits den Rissspalt zu reduzieren vermögen und darüber hinaus für einen spielfreien Sitz der Deckplatte innerhalb der durch die Lötnaht vorgegebenen Formschlussverbindung trotz vorherrschender großer Vibrationen während des Betriebes der Gasturbine sorgen.Although the forming within the solder seam hair tear basically a Cooling air leakage is limited by the cooling air from that of the cover plate Cooling air system within the gas turbine blade can escape to the outside, but this cooling air loss is negligible and does not matter further. In addition, form on the surfaces of the crack within the solder seam Oxidation layers, on the one hand able to reduce the crack gap and In addition, for a play-free fit of the cover plate within the through Lötnaht predetermined positive connection despite prevailing large Ensure vibrations during operation of the gas turbine.
Auf weitere Einzelheiten bezüglich der vorstehend beschriebenen Formschlussverbindung, die auf einer Rissbildung innerhalb der die Deckplatte vollständig umgebenden Lötnaht basiert, ist der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die nachstehenden Ausführungsbeispiele zu entnehmen.For more details regarding the above described Positive connection, which is due to cracking within the cover plate is based entirely surrounding solder seam, is the further description below Refer to the following embodiments.
Alternativ zu einer Lötnaht und eines sich darin ausbildenden Haar-Risses zur Schaffung eines spiel- und biegespannungsfreien Sitzes der Deckplatte innerhalb des Deckbandes, eignet sich erfindungsgemäß auch ein mechanisches Haltemittel, das sowohl eine Wirkverbindung mit dem Deckband als auch der Deckplatte eingeht.As an alternative to a soldering seam and a hairline tear forming therein Creation of a play and bending stress-free fit of the cover plate within the shroud, according to the invention is also a mechanical holding means, which forms both an operative connection with the shroud and the cover plate.
In einer einfachen Ausführungsform sieht die hierzu die erste, vorzugsweise radial orientierte Stufenfläche der Aufnahmekontur innerhalb des Deckbandes eine umlaufende Befestigungsnut vor, in die zumindest hälftig die Aussenkontur eines Sprengringes eingreifen kann, der die Deckplatte in geeigneter Form umgibt. Ein Einfügen der Deckplatte in die Aufnahmekontur des Deckbandes erfolgt durch mechanisches Zusammenschnüren des Sprengringes, der sich nach entsprechendem Verfügen innerhalb der Befestigungsnut im Deckband auszuspreizen vermag und somit eine Formschlussverbindung zwischen Deckband und Deckplatte gewährleistet. Alternativ zur Verwendung eines Sprengringes können auch stangenförmig ausgebildete Haltemittel zur Schaffung einer Formschlussverbindung zwischen Deckplatte und Deckband verwendet werden, indem diese durch geeignete Bohrungen innerhalb der Deckplatte und dem Deckband eingefügt werden. Die stangenartig ausgebildeten Haltemittel können tangential oder radial verlaufend zwischen Deckplatte und Deckband in entsprechenden Befestigungsöffnungen eingeschoben werden. Zwar wird auf diese Weise die Deckplatte längs ihres gesamten Umfangsrandes nicht durch eine durchgehende Formschlussverbindung mit dem Deckband verfügt, wie es bei einer umlaufenden Lötverbindung der Fall ist, doch wird auch auf diese Weise für einen sicheren Sitz der Deckplatte auf in dem Deckband gesorgt.In a simple embodiment, this provides the first, preferably radially oriented step surface of the receiving contour within the shroud a circumferential mounting groove in front, in the at least half the outer contour of a Snap ring can engage, which surrounds the cover plate in a suitable form. One Inserting the cover plate in the receiving contour of the shroud is done by mechanical constriction of the circlip following correspondingly have within the mounting groove in the shroud spread out and thus a positive connection between shroud and cover plate guaranteed. Alternatively to using a snap ring can Also rod-shaped holding means to create a Positive connection between cover plate and shroud can be used by passing them through suitable holes in the cover plate and the Shroud to be inserted. The rod-like holding means can tangential or radial running between cover plate and shroud in corresponding mounting holes are inserted. While being on this Do not cover the top plate along its entire peripheral edge continuous positive connection with the shroud has, as it is in a circumferential solder joint is the case, but is also in this way for a secure fit of the cover plate provided in the shroud.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1a
- perspektivische Draufsicht auf ein Deckband mit eingesetzter Deckplatte,
- Fig. 1 b
- Querschnitt durch die Aufnahmekontur eines Deckbandes mit eingefügter Deckplatte,
- Fig. 2a,b,c
- Darstellungen einer bekannte Deckplatte-Deckband-Verbindung (Stand der Technik),
- Fig. 3a, b
- Darstellungen zur Rissbildung innerhalb der Lötnaht,
- Fig. 4a bis c
- Formschlussverbindung mittels Einsatzteil,
- Fig. 5 a,b,c
- Darstellung alternativer Fügegeometrien,
- Fig. 6
- Darstellung von Formschlussverbindungen mittels mechanischem Haltemittel.
- Fig. 1a
- Perspective top view of a cover band with inserted cover plate,
- Fig. 1 b
- Cross section through the receiving contour of a shroud with inserted cover plate,
- Fig. 2a, b, c
- Representations of a known cover plate-shroud connection (prior art),
- Fig. 3a, b
- Representations of crack formation within the solder seam,
- Fig. 4a to c
- Positive connection by means of insert,
- Fig. 5 a, b, c
- Representation of alternative joining geometries,
- Fig. 6
- Representation of form-locking connections by means of mechanical holding means.
Fig. 1a zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine Gasturbinenschaufel mit einem
Deckband 2, das an seiner radialwärts orientierten Oberseite eine rechteckförmige
Ausnehmung 10 vorsieht, in die die Deckplatte 6 radialwärts von oben vollständig
eingefügt ist. Zwischen der Deckplatte 6 und dem Deckband 2 ist eine Lötnaht 7
eingebracht, die die Umfangskontur der Deckplatte 6 vollständig umgibt.Fig. 1a shows a perspective top view of a gas turbine blade with a
In Fig.1b ist ein Querschnitt durch eine beliebige Stelle quer zur Aufnahmekontur
innerhalb des Deckbandes 2 gezeigt. Die Aufnahmekontur des Deckbandes 2 weist
eine erste schräg radialwärts gerichtete erste Stufenfläche 11 sowie eine axialwärts
orientierte zweite Stufenfläche, die sogenannte Auflagefläche 12 auf. Die Stufentiefe
der Aufnahmekontur ist vorzugsweise gerade so gewählt, dass die Oberfläche der
Deckplatte 6 bündig mit der Oberfläche des Deckbandes 2 abschließt. Zwischen der
Deckplatte 6 und dem Deckband 2 ist zum Einfügen der Deckplatte 6 ein
Zwischenspalt 13 vorgesehen, der zumindest so groß gewählt ist, dass ein einfaches
Einfügen der Deckplatte 6 in die Aufnahmekontur des Deckbandes 2, aufgrund eines
vorhandenen Einbauspiels 16 möglich ist. Der sich zwischen der Deckplatte 6 und
dem Deckband 2 befindliche Zwischenspalt 13 wird nachfolgend mit Lötmaterial 14
vollständig ausgefüllt und verlötet, wobei das Lötmaterial 14 eine möglichst geringe
Duktilität bzw. hohe Sprödhärte nach erfolgtem Lötvorgang aufweist.In Fig.1b is a cross section through an arbitrary position transverse to the receiving contour
shown within the
Wird eine derart ausgebildete Gasturbinenschaufel in Betrieb genommen, so bilden
sich aufgrund der bestehenden Sprödigkeit und vorherrschenden Vibrationen Risse
längs der Lötnaht 7 aus. Fig. 3a zeigt einen derartigen Riss 15, der sich aus zwei
Zick-Zack-förmig verlaufenden, sich unmittelbar gegenüberliegenden Bruchflächen
zusammensetzt. Da der Rissverlauf einen statistischen Verlauf annimmt und somit
längs der Bruchflächen Bruchflächenabschnitte aufweist, die schräg zur
Radialrichtung der Gasturbinenschaufel und somit zu den an der
Gasturbinenschaufel angreifenden Zentrifugalkräften geneigt sind, trägt eine innige
Verzahnung zwischen der Deckplatte 6 und dem Deckband längs der Lötnaht dazu
bei, dass sich die Deckplatte 6 vom Deckband 2 nicht ablösen kann. Darüberhinaus
erlaubt die lose vielzackige Formschlussverbindung einen biegespannungsfreien Sitz
der Deckplatte 6 innerhalb des Deckbandes, wodurch die Deckplatte 6 geringeren
mechanischen Verspannungen sowie auch Vibrationen ausgesetzt ist.If such a trained gas turbine blade put into operation, so form
Cracks due to the existing brittleness and prevailing vibrations
along the
Fig. 3b zeigt eine Fügevariante unter Verwendung eines zusätzlichen
Verschlussstreifens 16, der beidseitig durch zwei Lötnähte 7, 7' verlötet ist. Der
Verschlussstreifen 16 ist aus einem Hochtemperatur-beständigen Material gefertigt,
das über eine weit höhere Duktilität verfügt, als das Lätmaterial selbst, so dass der
Verschlussstreifen 16 zu einer Schwingungsdämpfung der Deckplatte 6 innerhalb
des Deckbandes 2 beiträgt.Fig. 3b shows a joining variant using an
In Fig. 4a ist der Einsetzvorgang der Deckplatte 6 in die Aufnahmekontur des
Deckbandes 2 dargestellt. Ein zwischen dem Deckband 2 und der Deckplatte 6
vorhandenes Einbauspiel 16 sorgt für ein ungehindertes radiales Einsetzen der
Deckplatte 6 in das Deckband 2. In Fig. 4b ist das Einfügen eines Verschlussstückes
17 in Funktion eines mechanischen Haltemittels18 dargestellt, das als Formteil
einstückig in den Zwischenspalt 13 eingefügt wird. Das Verschlussstück 17 verfügt
über eine ausreichend hohe Duktilität sowie Hochtemperaturbeständigkeit, so dass
es in der Lage ist, die zwischen der Deckplatte 6 und dem Deckband 2 auftretenden
Kräfte schadlos zu übertragen. In Fig. 4c ist ein Kräfteverlauf zwischen der
Deckplatte 6, dem Verschlussstück 17 und dem Deckband 2 dargestellt. Aufgrund
der schräg zur Radialrichtung orientierten Spaltlängserstreckung wirken die mit
Pfeilen in Fig. 4c dargestellten Kraftvektoren derart auf das Verschlussstück 17 ein,
so dass das Verschlussstück 17 die Deckplatte 6 daran hindert, sich radial aus dem
Deckband 2 zu lösen.In Fig. 4a, the insertion process of the
In Fig. 5a, b und c sind verschiedene Ausführungsbeispiele für
Formschlussverbindungen zwischen der Deckplatte 6 und dem Deckband 2
dargestellt. In Fig. 5a ist ein radialwärts gerichteter Spalt zwischen Deckband 2 und
Deckplatte 6 mit Lotmaterial aufgefüllt. Fig. 5b zeigt einen schräg radialwärts
geneigten Lötspalt. In Fig. 5c ist der Zwischenspalt zwischen Deckplatte 6 und
Deckband 2 radialwärts ausgebildet und lediglich im oberen Bereich ist eine
keilförmig ausgebildete Lötverbindung 7 eingebracht. Hierbei überragt das
Deckband 2 die Deckplatte 6 ein wenig, so dass sich ein dreieickförmiger Lötkeil 7
zwischen Deckband 2 und Deckplatte 6 ausbilden kann. Untersuchungen haben
gezeigt, dass sich bei einer derart keilförmig ausgebildeten Lötverbindung 7 ein
Rissverlauf einstellt, der in etwa 45° bezogen zur Radialrichtung verläuft und somit
zu einer stabilen Formschlussverbindung zwischen der Deckplatte 6 und dem
Deckband 2 führt.In Fig. 5a, b and c are different embodiments of
Positive connection between the
Allen vorstehend genannten Ausführungsbeispielen mit Lötnaht, innerhalb der sich eine Rissbildung einstellt, ist gemeinsam, dass die Formschlussverbindung auf der innigen Verzahnung der sich zickzack-förmig ausbildenden Risslinie basiert.All aforementioned embodiments with Lötnaht, within which sets a cracking, has in common that the positive connection on the intimate interlocking of the zigzag-shaped tear line is based.
Alternativ oder in Kombination zur vorstehend genannten Fügeverbindung kann die
Verwendung eines mechanischen Haltemittels zwischen Deckplatte und Deckband
zu einer langzeitstabilen und sicheren Formschlussverbindung beitragen. Fig. 6 zeigt
hierzu einen entsprechenden Verbindungsquerschnitt zwischen Deckplatte 6 und
Deckband 2. Zwischen dem Deckband 2 und der Deckplatte 6 ist ein Sprengring 18
eingebracht, der beidseitig teilweise in den Umfangsrand der Deckplatte 6 sowie in
das Deckband 2 hineinragt. Alternativ zur Verwendung eines Sprengringes 18
können stangenförmig ausgebildete Formkörper vorgesehen werden, die durch
seitliche Montageöffnungen innerhalb des Deckbandes sowie der Deckplatte
einbringbar sind. Alternatively or in combination with the abovementioned joint connection, the
Use of a mechanical holding means between cover plate and shroud
contribute to a long-term stable and secure form-locking connection. Fig. 6 shows
For this purpose, a corresponding connection cross section between
- 11
- Schaufelblattairfoil
- 22
- Deckbandshroud
- 33
- Nutkonturgroove contour
- 4,54.5
- Seitenkanten des DeckbandesSide edges of the shroud
- 66
- Deckplattecover plate
- 77
- LötmaterialSolders
- 8,98.9
- Seitenkanten des DeckbandesSide edges of the shroud
- 1010
- Ausnehmungrecess
- 1111
- Erste StufenflächeFirst step surface
- 1212
- Zweite StufenflächeSecond step surface
- 1313
- Zwischenspaltintermediate gap
- 1414
- LömaterialLömaterial
- 1515
- RissCrack
- 1616
- Einbauspielinstallation game
- 1717
- Verschlusselementclosure element
- 1818
- Mechanisches HaltemittelMechanical holding means
- KK
- Kühlkanälecooling channels
Claims (12)
- Cooled gas turbine blade having a shroud band (2) in which a cooling-passage system (K) is provided which is closed off radially to the gas turbine blade by a cover plate (6), characterized in that the cover plate (6) has a peripheral margin, along the entire extent of which the cover plate (6) forms a continuous positive-locking connection or a multiplicity of locally limited positive-locking connections with the shroud band (2).
- Cooled gas turbine blade according to Claim 1, characterized in that the multiplicity of locally limited positive-locking connections are distributed uniformly along the peripheral margin.
- Cooled gas turbine blade according to Claim 1 or 2, characterized in that the shroud band (2) has a locating contour which is adapted according to the shape and size of the peripheral margin of the cover plate (6) and which has a step-shaped cross section which provides a first step surface (11) oriented radially or obliquely radially and an axially oriented second step surface (12), the "bearing surface", on which the cover plate (6) can be put radially, and in that a retaining means is introduced in the region between the first step surface (11) and the peripheral margin of the cover plate (6), this retaining means ensuring the positive-locking connection.
- Cooled gas turbine blade according to Claim 3, characterized in that an intermediate gap (13) is provided between the first step surface (11) and the cover plate (6) inserted into the locating contour.
- Cooled gas turbine blade according to Claim 4, characterized in that the first step surface (11) and the peripheral margin are of rectilinear design and the intermediate gap (13) has a largely constant gap width, and in that the intermediate gap (13) is oriented radially or obliquely radially to the longitudinal direction of the gas turbine blade.
- Cooled gas turbine blade according to one of Claims 3 to 5, characterized in that the retaining means is a joining means which is introduced in the region between the first step surface (11) and the peripheral margin of the cover plate (6) and forms an intimate joint in each case with the first step surface (11) and the peripheral margin, and in that at least one fracture surface (15) is provided inside the joining means along the extent of both joints, this fracture surface (15) passing completely through the joining means and having fracture-surface sections running obliquely to the radial direction.
- Cooled gas turbine blade according to Claim 6, characterized in that the joining means is a brazing material (7) which has no ductility or has only low ductility.
- Cooled gas turbine blade according to one of Claims 3 to 6, characterized in that the first step surface (11) is dimensioned in such a way that it projects beyond the cover plate (6) inserted into the locating contour, in that the joining means is provided at least above the cover plate (6) between the cover plate (6) and the first step surface (11) projecting beyond the cover plate (6), and in that the fracture surface (15) passes obliquely radially through the joining means.
- Cooled gas turbine blade according to Claim 8, characterized in that the fracture surface (15) runs at an angle of about 45° to the cover plate (6).
- Cooled gas turbine blade according to Claim 3, characterized in that the peripheral margin of the cover plate (6) has a fastening contour which runs along the peripheral margin and into which a mechanical retaining means (18) can be inserted, and in that a fastening contour corresponding to the fastening contour of the cover plate (6) is provided along the first step surface (11), and the mechanical retaining means (18), in the joined state of the cover plate (6) inside the locating contour, frictionally enters this fastening contour corresponding to the fastening contour of the cover plate (6).
- Cooled gas turbine blade according to Claim 10, characterized in that the mechanical retaining means (18) is a type of snap ring, which is provided inside the fastening contour of the cover plate (6).
- Cooled gas turbine blade according to Claim 10, characterized in that the mechanical retaining means (18) consists of a number of shaped bodies of rod-shaped design which can be inserted into the fastening contour through fitting openings inside the shroud band between the peripheral margin of the cover plate and the first step surface.
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| AX | Request for extension of the european patent |
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Owner name: ALSTOM (SWITZERLAND) LTD |
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| AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A3 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR |
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| AX | Request for extension of the european patent |
Extension state: AL LT LV MK RO SI |
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Ipc: 7F 01D 9/04 B Ipc: 7F 01D 5/18 A |
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| RAP1 | Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred) |
Owner name: ALSTOM TECHNOLOGY LTD |
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Effective date: 20040630 |
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Ref country code: GB Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20121130 |