EP1329593B1 - Turbinenschaufel mit einer Heissgasplattform und einer Lastplattform - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel mit einem profilierten, entlang einer Schaufelachse erstreckten Schaufelblatt.

Aus der GB 1 605 219 ist eine Leitschaufel für eine Gasturbine bekannt, welche aus zwei Komponenten zusammengesetzt ist. Die erste Komponente weist das Schaufelprofil auf, welches sich durch eine Plattform hindurch erstreckt. Eine zweite Komponente weist zur Aufnahme des Schaufelprofils in einer rechteckförmigen, als Prallkühlelement dienenden Platte eine Öffnung auf, die dem Profil der Schaufel entspricht. Dabei ist an der Platte eine umlaufende Kante vorgesehen, welche die Plattform umgreift und abstützt. An der der Plattform abgewandten Seite der Platte sind zur Befestigung der Leitschaufel mechanisch belastbare Flansche vorgesehen, welche teilweise vom Schaufelprofil durchdringt werden. Die zweite Komponente dient zur Befestigung des Schaufelprofils und zur Bildung eines Prallkühlelementes für die heißgasbeaufschlagte Plattform.

Ferner ist bekannt, dass Gasturbinen in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle benutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt. Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefaßten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Strömungsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Strömungsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet. Die Turbinenschaufeln, insbesondere die Leitschaufeln, weisen dabei üblicherweise zur geeigneten Führung des Arbeitsmediums ein profiliertes, entlang einer Schaufelachse erstrecktes Schaufelblatt auf, an das sich endseitig zur Befestigung der Turbinenschaufel am jeweiligen Trägerkörper eine sich quer zur Schaufelachse erstreckende, in zumindest einem Endbereich als Hakensockel ausgebildete Plattform angeformt ist.

Zur Erreichung eines besonders günstigen Wirkungsgrads sind derartige Gasturbinen aus thermodynamischen Gründen üblicherweise für besonders hohe Austrittstemperaturen des aus der Brennkammer ab- und die in die in die Turbineneinheit einströmenden Arbeitsmediums von etwa 1200 °C bis etwa 1300 °C ausgelegt. Bei derartig hohen Temperaturen sind die Komponenten der Gasturbine, insbesondere die Turbinenschaufeln, vergleichsweise hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um auch bei derartigen Betriebsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer der jeweiligen Komponenten zu gewährleisten, sind die betroffenen Bauteile üblicherweise kühlbar ausgebildet.

Daher sind in modernen Gasturbinen die Turbinenschaufeln üblicherweise als sogenanntes Hohlprofil ausgebildet. Das profilierte Schaufelblatt weist dazu in seinem Innenbereich auch als Schaufelkern bezeichnete Hohlräume auf, in denen ein Kühlmedium geführt werden kann. Durch die solchermaßen gebildeten Kühlmittelkanäle ist somit eine Beaufschlagung der thermisch besonders beanspruchten Bereiche des jeweiligen Schaufelblatts mit Kühlmittel ermöglicht. Eine besonders günstige Kühlwirkung und somit eine besonders hohe Betriebssicherheit ist dabei erreichbar, indem die Kühlmittelkanäle einen vergleichsweise großen Raumbereich im Inneren des jeweiligen Schaufelblatts einnehmen, und indem das Kühlmittel möglichst nah an der jeweiligen, dem Heißgas ausgesetzten Oberfläche geführt ist. Um bei einer derartigen Auslegung andererseits eine ausreichende mechanische Stabilität und Belastbarkeit sicherzustellen, kann die jeweilige Turbinenschaufel mehrkanalig durchströmt sein, wobei im Inneren des Schaufelprofils eine Mehrzahl von mit Kühlmittel beaufschlagbaren, jeweils voneinander durch vergleichsweise dünne Trennwände getrennte Kühlmittelkanäle vorgesehen sind.

Aus Wirkungsgradgründen kann die Auslegung einer derartigen Turbinenschaufel für einen vergleichsweise geringen Verbrauch an Kühlmittel wünschenswert sein. Gerade bei einer Beaufschlagung der Turbinenschaufel mit vergleichsweise heißem Arbeitsmedium ist bei nur begrenztem Verbrauch an Kühlmittel eine zuverlässige Kühlung der einzelnen Komponenten der Turbinenschaufel oftmals nur über eine vergleichsweise dünnwandige Ausführung der einzelnen Komponenten mit vergleichsweise geringem Materialbedarf erreichbar. Gerade durch die beim Betrieb der Gasturbine in einzelnen Komponenten der Turbinenschaufel entstehenden thermischen Spannungen und die ebenfalls auftretenden erheblichen mechanischen Belastungen können zur Materialermüdung oder sogar zum Materialbruch führen. Dies kann eine eigentlich unerwünschte Verwendung vergleichsweise dickwandiger Strukturteile erfordern, für die dann eine entsprechend aufwendige Kühlung mit entsprechend erweitertem Angebot an Kühlmittel bereitzustellen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der oben genannten Art anzugeben, die einerseits thermisch und mechanisch hoch belastbar ist und andererseits einen vergleichsweise sparsamen Verbrauch an Kühlmittel gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem an das Schaufelblatt in einem Endbereich eine sich quer zur Schaufelachse erstreckende Heißgasplattform und darüberliegend eine Lastplattform angeformt sind, wobei eine mechanische Verbindung der Lastplattform mit der Heißgasplattform ausschließlich über das Schaufelblatt erfolgt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß auch bei einer thermisch hoch belastbaren Turbinenschaufel der für eine zuverlässige Kühlung notwendige Verbrauch an Kühlmittel vergleichsweise gering gehalten werden kann, indem die Strukturteile weitgehend dünnwandig gehalten sind. Um dies auch im Hinblick auf die vergleichsweise starke mechanische Beanspruchung der Turbinenschaufel ohne nennenswerte Gefahr einer Materialbeschädigung zu ermöglichen, sollte die thermische Lastaufnahme an der Turbinenschaufel konsequent von der mechanischen Lastaufnahme getrennt gehalten sein. Dazu sind am Schaufelblatt zwei Plattformsegmente angeformt, von denen eines, nämlich die Heißgasplattform, ausschließlich zur Aufnahme der thermischen Belastung und ein anderes, nämlich die Lastplattform, ausschließlich zur Aufnahme der mechanischen Belastung ausgelegt ist.

Die Heißgasplattform kann dabei besonders dünnwandig gehalten sein, gerade weil sie auslegungsgemäß mit nahezu keiner mechanischen Belastung beaufschlagt ist. Die Lastplattform, die zur Aufnahme der mechanischen Belastung ausreichend dickwandig ausgeführt sein sollte, ist hingegen mittels der Heißgasplattform von einer direkten thermischen Beaufschlagung durch das Arbeitsmedium abgeschirmt und somit auch bei vergleichsweise massiver Ausführung ohne nennenswerten Verbrauch an Kühlmittel auf einer sicheren Betriebstemperatur haltbar. Eine hohe Betriebssicherheit bei einer derartigen Anordnung ist erreichbar, indem gerade die vergleichsweise dünnwandig ausgeführte Heißgasplattform konsequent frei von auftretender Wärmespannung gehalten wird. Um das Auftreten von Wärmespännungen zu verhindern, sollte die Heißgasplattform weitestgehend frei ausdehnbar sein, so daß auch bei wechselnder thermischer Beaufschlagung infolge thermisch induzierter Ausdehnung oder Kontraktion keine Spannungen auftreten können. Eine derartig frei ausdehnbare Ausgestaltung der Heißgasplattform ist erreichbar, indem diese mechanisch weitestgehend von der Lastplattform entkoppelt gehalten ist.

Auslegungsgemäß ist die Heißgasplattform dabei im wesentlichen frei von mechanischer Belastung gehalten. Um dies zu ermöglichen, ist die Lastplattform insbesondere hinsichtlich ihrer Dimensionierung vorteilhafterweise derart ausgelegt, daß sie für eine vollständige Aufnahme der durch ein das Schaufelblatt umströmendes Arbeitsmedium hervorgerufenen Kräfte geeignet ist.

Die Turbinenschaufel ist mit besonders geringem Herstellungsund Materialaufwand bereitstellbar, indem in vorteilhafter Ausgestaltung die Lastplattform hinsichtlich ihrer Formgebung auf die zu einer auf die vorgegebenen Randbedingungen angepaßten mechanischen Fixierung erforderlichen strukturellen Komponenten beschränkt ist. Eine derartig minimalisiert ausgeführte Ausgestaltung ist begünstigt, indem die Lastplattform vorteilhafterweise an einer bezüglich eines Arbeitsmediums abströmseitigen Kante des Schaufelblatts angeformt ist. Dabei ist die in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen hintere Kante des Schaufelblatts im Aufhängungsbereich zur Lastplattform erweitert, wobei im in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen vorderen Bereich des Schaufelblatts ein weitgehender Verzicht auf materialaufwendige, der Lastplattform zuzuordnende strukturelle Komponenten erfolgen kann.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die mechanische Fixierung der Turbinenschaufel über die Lastplattform auf ein Minimum der für eine statische Bestimmtheit erforderlichen Fixierungspunkte beschränkt. Dazu weist die Lastplattform vorteilhafterweise eine angeformte Rippe zur Radialverhakung und eine auf dieser aufgesetzte Rippe zur Axialverhakung auf. Bei einer derartigen Ausgestaltung genügt zur vollständigen Herstellung der statischen Bestimmtheit an der Innenseite der Turbinenschaufel ein einziger Anlagepunkt in axialer Richtung. Bedarfsweise kann zudem noch eine Verdrehsicherung in Radialrichtung und/oder eine Umfangsfixierung an der Außenseite der Turbinenschaufel vorgesehen sein; diese können durch geeignete, an der jeweiligen Rippe angeformte Mittel wie beispielsweise Nuten oder Nasen, realisiert sein.

Die Turbinenschaufel ist vorzugsweise als Leitschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine, ausgebildet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Reduktion der mechanischen Verbindung der Lastplattform mit der Heißgasplattform auf eine Verbindung ausschließlich über das Schaufelblatt eine konsequente Trennung des zur Aufnahme der thermischen Belastung vorgesehenen Strukturteils vom zur Aufnahme der mechanischen Belastung vorgesehenen Strukturteil ermöglicht ist. Die jeweiligen Strukturteile, nämlich die Heißgasplattform einerseits und die Lastplattform andererseits, können somit spezifisch auf ihren eigentlichen Anwendungszweck hin ausgestaltet sein, wobei insbesondere die Heißgasplattform frei ausdehnbar und vergleichsweise dünnwandig ausgestaltet sein kann. Die Heißgasplattform einerseits und die Lastplattform andererseits können zudem auch in ihrer Formgebung vollständig unabhängig voneinander ausgeführt sein, wobei insbesondere die Heißgasplattform eine von der Lastplattform unterschiedliche Breite und Form aufweisen kann. Die Lastplattform kann dabei in der Art einer Minimallösung in ihrer Formgebung vollständig auf die Notwendigkeiten der Kraftübertragung ausgerichtet sein, wobei in diesem Sinne überflüssige Strukturbereiche eingespart sein können. Damit ist zusätzlich zu einer auch durch die Heißgasplattform begünstigten hohen thermischen Belastbarkeit auch ein besonders geringer Herstellungsaufwand bei nur geringem Materialverbrauch erreichbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur in Schrägsicht eine Turbinenschaufel.

Die Turbinenschaufel 1 gemäß der Figur weist ein profiliertes Schaufelblatt 2 auf, das sich entlang einer Schaufelachse 4 erstreckt. Das Schaufelblatt 2 ist dabei zur geeigneten Beeinflussung eines in einer zugeordneten Turbineneinheit strömenden Arbeitsmediums gewölbt und/oder gekrümmt.

Die Turbinenschaufel 1 ist als Leitschaufel für eine Gasturbine ausgebildet. Um einen Einsatz der Turbinenschaüfel 1 auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen des Arbeitsmediums von etwa 1200°C bis 1300°C zu ermöglichen, ist die Turbinenschaufel 1 kühlbar ausgebildet. Dazu ist das Schaufelblatt 2 in der Art einer Innenprofilierung mit einem Hohlraum 6 ausgeführt, über den ein Kühlmittel, beispielsweise Kühldampf, führbar ist.

An einem Endbereich 8 des Schaufelblatts 2 ist ein Plattformsystem 10 an dieses angeformt. Das Plattformsystem 10 ist dabei sowohl zur Aufnahme der thermischen Belastung durch das Arbeitsmedium als auch zur Aufnahme der mechanischen Belastung durch das Arbeitsmedium ausgebildet. Um dabei auch bei hoher thermischer Belastung bei vergleichsweise geringem Kühlmittelverbrauch eine hohe mechanische Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu ermöglichen, ist das Plattformsystem 10 für ein konsequente strukturelle Trennung thermisch belasteter Bauteile von mechanisch belasteten Bauteilen ausgebildet.

Dazu umfaßt das Plattformsystem 10 einerseits eine Heißgasplattform 12 und andererseits eine von dieser weitgehend unabhängig gehaltene Lastplattform 14. Die Heißgasplattform 12 ist dabei zur Aufnahme der thermischen Belastung vorgesehen. Die Lastplattform 14 ist auf der vom Strömungsraum für das Arbeitsmedium abgewandten Seite der Heißgasplattform 12 und somit über dieser liegend angeordnet, so daß die Heißgasplattform 12 in der Art eines Wärmeschilds für die Lastplattform 14 wirkt. Damit erfolgt keine thermische Beaufschlagung der Lastplattform 14 durch im Arbeitsmedium mitgeführte Wärme.

Sowohl die Heißgasplattform 12 als auch die Lastplattform 14 sind mechanisch ausschließlich mit dem Schaufelblatt 2 verbunden; eine direkte mechanische Verbindung der Lastplattform 14 mit der Heißgasplattform 12 beispielsweise über Querstreben oder Stützbleche ist nicht vorgesehen. Die Heißgasplattform 12 ist somit an ihrem umlaufenden Rand 16, der für eine selbsttragende Konstruktion geeignet verdickt ausgeführt ist, weitgehend frei ausdehnbar ausgeführt, ohne daß diesbezüglich Einschränkungen durch die Lastplattform 14 auftreten könnten. Bei wechselnder thermischer Beaufschlagung der Heißgasplattform 12 und dadurch induzierte laterale Ausdehnungen oder Kontraktionen sind dadurch induzierte Wärmespannungen somit besonders gering gehalten.

Die Lastplattform 14, die aufgrund der thermischen Abschirmung durch die Heißgasplattform 12 thermisch nur vergleichsweise gering belastet ist und somit vergleichsweise einfach auf eine zuverlässige Betriebstemperatur kühlbar ist, ist zur vollständigen Aufnahme der durch das Arbeitsmedium auf das Schäufelblatt 2 einwirkenden Kräfte ausgelegt und dazu vergleichsweise dickwandig ausgeführt. In ihrer Formgebung ist die Lastplattform 14 jedoch in der Art einer minimalisierten Ausführung auf eine vergleichsweise geringe Anzahl mechanischer Fixpunkte unter weitgehendem Verzicht auf darüber hinausgehende strukturelle Komponenten ausgelegt. Dazu ist die Lastplattform 14 lediglich an der bezüglich der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in der zugeordneten Turbineneinheit gesehen abströmseitigen Kante 18 des Schaufelblatts 2 angeformt; an der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen vorderen Kante 20 des Schaufelblatts 2 ist hingegen an seinem oberen Ende 8 keine durchgehende Fortsetzung zur Bildung eines zur Lastplattform 14 gehörigen Strukturelements vorgesehen.

Zur Bildung einer Radialverhakung ist die Lastplattform 14 in eine Rippe 22 ausgezogen, auf die eine Rippe 24 zur Axialverhakung aufgesetzt ist. Zur Vervollständigung der Verhakung in axialer Richtung ist weiterhin auf der Innenseite der Turbinenschaufel 1 ein Fixierstift 26 angesetzt, der einen weiteren Anlagepunkt in axialer Richtung vorgibt. In der zur Bildung der Axialverhakung vorgesehenen Rippe 24 ist eine Nut 28 freigelassen, die zur Bildung einer Umfangsfixierung mit einem am zugehörigen Turbinengehäüse angeformten Strukturelement in Eingriff bringbar ist. Zur Vervollständigung der Verhakung in radialer Richtung kann zudem eine im Ausführungsbeispiel lediglich angedeutete Radialverrippung 30 vorgesehen sein.

Die Turbinenschaufel 1 weist somit mechanisch voneinander weitestgehend entkoppelte Heißgas- und Lastplattformen 12 bzw. 14 auf. Dadurch kann die Lastplattform 14 in ihrer Formgebung spezifisch an die vorgegebenen Anforderungen angepaßt sein, ohne daß dadurch Nachteile im thermischen Bereich in Kauf zu nehmen sind. Die thermische Beaufschlagung wird hingegen vollständig von der Heißgasplattform 12 abgefangen, die wiederum in ihrer Formgebung vollständig unabhängig von der Lastplattform 14 ausgeführt sein kann.

Claims (5)

1. Turbinenschaufel (1) mit einem profilierten, entlang einer Schaufelachse (4) erstreckten Schaufelblatt (2), an das in einem Endbereich (8) eine sich quer zur Schaufelachse (4) erstreckende Heißgasplattform (12) und darüberliegend eine Lastplattform (14) angeformt sind,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   eine mechanische Verbindung der Lastplattform (14) mit der Heißgasplattform (12) ausschließlich über das Schaufelblatt (2) erfolgt.
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die Lastplattform (14) für eine Aufnahme von Kräften ausgelegt ist, die durch ein das Schaufelblatt (2) umströmendes Arbeitsmedium hervorgerufen sind.
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die Lastplattform (14) in einem Aufhängungsbereich an einer, bezogen auf ein das Schaufelblatt (2) umströmende Arbeitsmedium, abströmseitigen Kante (18) des Schaufelblatts (2) angeformt ist.
4. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die Lastplattform (14) eine angeformte Rippe (22) zu einer Radialverhakung mit Bezug auf die Rotationsachse einer Turbinewelle und eine auf dieser aufgesetzte Rippe (24) zur Axialverhakung aufweist.
5. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die als Leitschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine, ausgebildet ist.

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